O comportamento quântico desempenha um papel crucial nas propriedades de materiais novos e emergentes, como supercondutividade e magnetismo. Infelizmente, ainda é impossível calcular o comportamento quântico subjacente, muito menos entendê-lo totalmente. Cientistas da QuTech, o Instituto de Nanociência Kavli em Delft e TNO, em colaboração com a ETH Zurich e a Universidade de Maryland, agora conseguiram construir um "material artificial" que imita esse tipo de comportamento quântico em pequena escala. Ao fazer isso, eles lançaram as bases para novos insights e aplicações potenciais. Seu trabalho é publicado hoje em Natureza .

Ao longo do século passado, uma maior compreensão dos materiais semicondutores levou a muitas melhorias tecnológicas, como os chips de computador cada vez mais rápidos e menores. Estamos, Contudo, alcançando gradualmente os limites da Lei de Moore, a tendência que prevê o dobro da capacidade de computação pela metade do preço a cada dois anos. Mas essa previsão ignora a possibilidade de que os computadores possam aproveitar a física quântica.

"Resta muita física para descobrir se realmente quisermos entender os materiais em escala muito pequena, "diz Lieven Vandersypen, um professor da TU Delft na Holanda e o experimentalista líder no novo artigo. E essa nova física está definida para trazer ainda mais novas tecnologias com ela. "A dificuldade é que, nesta escala, a teoria quântica determina o comportamento dos elétrons e é virtualmente impossível calcular esse comportamento com precisão, mesmo para apenas um punhado de elétrons, usando até mesmo os supercomputadores mais poderosos, "Vandersypen diz.

Os cientistas agora estão combinando o poder da indústria de semicondutores com seu conhecimento da tecnologia quântica para imitar o comportamento dos elétrons nos materiais - uma técnica conhecida como simulação quântica. "Eu espero que, no futuro próximo, isso nos permitirá aprender muito sobre os materiais que podemos abrir algumas portas importantes na tecnologia, como o projeto de supercondutores em temperatura ambiente, para tornar possível o transporte de energia sem perdas em longas distâncias, por exemplo, "Vandersypen diz.

Imitando a natureza

Há muito se sabe que os elétrons individuais podem ser confinados a pequenas regiões em um chip, conhecido como pontos quânticos. Existem, em princípio, adequado para pesquisar o comportamento e as interações dos elétrons em materiais. Os elétrons capturados podem se mover, ou túnel, entre os pontos quânticos de forma controlada, enquanto eles interagem através da repulsão de suas cargas negativas. "Processos como esses em pontos quânticos, resfriado a uma fração de grau acima do zero absoluto, são perfeitamente adequados para simular as propriedades eletrônicas de novos materiais, "diz Toivo Hensgens, um estudante de graduação na TU Delft e o principal autor do artigo.

Na prática, é um grande desafio controlar os elétrons em pontos quânticos com tanta precisão que a física subjacente se torne visível. As imperfeições nos chips quânticos e os métodos ineficientes de controle dos elétrons nos pontos tornaram esta noz particularmente difícil de quebrar.

Equipamento quântico

Os pesquisadores agora demonstraram um método que é eficaz e pode ser ampliado para um número maior de pontos quânticos. O número de elétrons em cada ponto quântico pode ser definido de 0 a 4 e a chance de tunelamento entre os pontos vizinhos pode variar de insignificante até o ponto em que os pontos vizinhos realmente se tornam um grande ponto. "Usamos voltagens para distorcer a paisagem (potencial) que os elétrons sentem, "explica Hensgens." Essa voltagem determina o número de elétrons nos pontos e as interações relativas entre eles. "

Em um chip quântico com três pontos quânticos, a equipe da QuTech demonstrou ser capaz de simular experimentalmente uma série de processos de materiais. Mas o resultado mais importante é o método que eles demonstraram. "Agora somos facilmente capazes de adicionar mais pontos quânticos com elétrons e controlar a paisagem potencial de forma que possamos simular processos quânticos muito grandes e interessantes, "Hensgens diz.

A equipe de Vandersypen visa progredir em direção a mais pontos quânticos o mais rápido possível. Para conseguir isso, ele e seus colegas estabeleceram uma estreita colaboração com a fabricante de chips Intel. "Seu conhecimento e experiência na fabricação de semicondutores, combinados com nosso profundo conhecimento do controle quântico, oferecem oportunidades que agora estão destinadas a dar frutos, " ele diz.