Se você tentar recitar a tabela periódica, você pode tropeçar antes de chegar aos elementos de terras raras.

Compreendendo ítrio (elemento 39) e tudo, desde lantânio (elemento 57) a lutécio (elemento 71), as terras raras não são familiares para a maioria de nós. Mas eles são vitais para as tecnologias que usamos todos os dias, desde lâmpadas fluorescentes à Internet.

Recentemente, mostramos que um elemento de terra rara, érbio (elemento 68), pode desempenhar um papel crucial na futura internet quântica.

O que são terras raras, qualquer forma?

Até mesmo o nome "terras raras" é enganoso. Na verdade, elementos de terras raras não são particularmente raros. Cério, por exemplo, é tão comum quanto o cobre.

O nome "terras raras" surgiu porque estão dispersas em minérios e são difíceis de extrair, portanto, apenas pequenas quantidades puderam ser isoladas. Hoje, no entanto, extraímos mais de 100, 000 toneladas de elementos de terras raras anualmente.

As aplicações dos elementos de terras raras são amplas. Ligas de metal - isto é, misturas - contendo íons de terras raras, como neodímio, formam os ímãs mais fortes. Eles são usados ​​em tudo, desde alto-falantes de áudio a motores elétricos. Os conversores catalíticos que reduzem as emissões prejudiciais em escapamentos de automóveis usam cério, e as baterias recarregáveis ​​de níquel-hidreto metálico usam lantânio.

Cristais contendo íons de terras raras absorvem e emitem luz em uma variedade de comprimentos de onda úteis no ultravioleta, faixas visível e infravermelho do espectro.

Isso significa que os elementos de terras raras são comuns na iluminação. Pós de cristal - conhecidos como fósforos - contendo európio, térbio, e cério são usados ​​para criar o vermelho, verde, e pixels azuis que compõem uma tela de televisão de plasma em cores. Eles também são misturados para criar a luz branca das lâmpadas fluorescentes compactas.

Erbium e a internet

Erbium, Enquanto isso, desempenha um papel vital na rede de fibra óptica da Internet.

A maior parte do tráfego global da Internet viaja como luz em fibras ópticas. Isso permite uma transmissão rápida com perda muito baixa no comprimento de onda certo (cerca de 1, 500-1, 600 nanômetros; um nanômetro é um bilionésimo de um metro).

Mesmo assim, em longas distâncias, essa perda - luz vazando da fibra - é um grande problema, e a luz deve ser amplificada periodicamente.

Uma vez que o érbio absorve e emite luz em 1, 550 nanômetros, exatamente no meio da banda de telecom de fibra, ele pode ser usado para amplificar a luz em um dispositivo chamado Amplificador de Fibra Dopado com Érbio (EDFA).

As fibras ópticas submarinas que formam a espinha dorsal da Internet têm EDFAs a cada 80 km ou mais.

A internet quântica

A internet permite que os computadores atuais falem uns com os outros, mas os pesquisadores agora estão desenvolvendo computadores quânticos. O erbium também pode desempenhar um papel importante aqui.

Os computadores quânticos fazem uso de um dos aspectos mais estranhos da física quântica - a superposição quântica, onde as partículas podem existir simultaneamente em dois estados diferentes - para codificar informações. Para fazer esses computadores se comunicarem, precisamos de um novo tipo de rede que possa manter essas informações quânticas. Em outras palavras, uma internet quântica.

Para fazer a internet quântica, precisamos construir os análogos quânticos de cada elemento da internet clássica. O análogo quântico dos EDFAs usados ​​como amplificadores em nossas fibras ópticas submarinas atuais é chamado de repetidor quântico. Por sua vez, isso exigiria memória quântica, que é usado para armazenar e sincronizar o tráfego de informações na rede.

Pesquisadores de todo o mundo vêm trabalhando em memórias quânticas há mais de uma década, mas armazenando informações quânticas até mesmo para 1/1, 000 de um segundo é um desafio. Precisamos de tempos de armazenamento de pelo menos 1/10 de segundo para a internet quântica.

Também tem sido muito difícil fazer memórias que funcionem para a luz na banda de telecomunicações de fibra, o comprimento de onda necessário para fibras ópticas.

A melhor abordagem até agora tem sido construir a memória em um comprimento de onda diferente, e tentar fazer a interface com a banda de fibra óptica, por exemplo, converter o comprimento de onda da luz na entrada e na saída da memória - um desafio em si.

O érbio ajudará?

Uma vez que o érbio interage com a luz exatamente no comprimento de onda certo, parece a escolha óbvia para uma memória quântica. Contudo, érbio é pobre em armazenar informações quânticas.

O problema é que o érbio é sensível às pequenas flutuações do campo magnético que ocorrem nos cristais, e isso degrada rapidamente qualquer informação quântica que contenha.

Recentemente, descobrimos que a aplicação de um grande campo magnético pode melhorar muito o tempo de armazenamento quântico de certos cristais de érbio. Este campo, que é semelhante ao que ocorre dentro de uma máquina de ressonância magnética de hospital, acalma as flutuações do campo magnético. O tempo de armazenamento de érbio pode, então, melhorar por um fator de 10, 000 a mais de 1 segundo.

Este é o primeiro sistema compatível com as fibras ópticas necessárias para uma internet quântica global que tenha um tempo de armazenamento longo o suficiente para essa rede. As próximas etapas são construir repetidores quânticos com este sistema, e instale-os em uma rede de teste para medir seu desempenho.

No futuro, os materiais de érbio podem ser tão essenciais para a internet quântica quanto já são para a internet atual.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.