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    Os estados do vale neste material superfino podem ser potencialmente usados ​​para computação quântica

    Uma imagem de microscópio eletrônico de varredura mostra dissulfeto de tungstênio cultivado em um substrato de safira (área clara). A área cinza médio mostra dissulfeto de tungstênio em monocamada e a área escura mostra dissulfeto de tungstênio em múltiplas camadas. Depois de cultivar o dissulfeto de tungstênio na safira, os pesquisadores o transferem para o sulfeto de európio. Crédito:Chuan Zhao / University at Buffalo

    Nova pesquisa sobre dissulfeto de tungstênio bidimensional (WS 2 ) pode abrir a porta para avanços na computação quântica.

    Em um artigo publicado em 13 de setembro em Nature Communications , os cientistas relatam que podem manipular as propriedades eletrônicas desse material superfino de maneiras que podem ser úteis para codificar dados quânticos.

    O estudo trata de WS 2 vales de energia de, que o físico Hao Zeng da Universidade de Buffalo, co-autor principal do artigo, descreve como "o extremo da energia local da estrutura eletrônica em um sólido cristalino."

    Os vales correspondem a energias específicas que os elétrons podem ter em um material, e a presença de um elétron em um vale versus outro pode ser usada para codificar informações. Um elétron em um vale pode representar um 1 em código binário, enquanto um elétron no outro pode representar um 0.

    A capacidade de controlar onde os elétrons podem ser encontrados pode render avanços na computação quântica, permitindo a criação de qubits, a unidade básica de informação quântica. Qubits têm a misteriosa qualidade de serem capazes de existir não apenas em um estado de 1 ou 0, mas em uma "superposição" relacionada a ambos os estados.

    O artigo da Nature Communications marca um passo em direção a essas tecnologias futuras, demonstrando um novo método de manipulação de estados de vale em WS 2 .

    Zeng, Ph.D., professor de física na Faculdade de Artes e Ciências da UB, liderou o projeto com Athos Petrou, Ph.D., UB Distinto Professor de Física, e Renat Sabirianov, Ph.D., cadeira de física na University of Nebraska Omaha. Outros co-autores incluíram estudantes de graduação em física da UB Tenzin Norden, Chuan Zhao e Peiyao Zhang. A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation.

    Mudando os vales de energia do dissulfeto de tungstênio

    O dissulfeto de tungstênio bidimensional é uma única camada do material com três átomos de espessura. Nesta configuração, WS 2 tem dois vales de energia, ambos com a mesma energia.

    Pesquisas anteriores mostraram que a aplicação de um campo magnético pode deslocar a energia dos vales em direções opostas, reduzir a energia de um vale para torná-lo "mais profundo" e mais atraente para os elétrons, enquanto aumenta a energia do outro vale para torná-lo "mais raso, "Zeng diz.

    Os pesquisadores da UB trabalham com um sistema de deposição de filme fino de câmara dupla que pode ser usado para sintetizar materiais de filme fino. No novo estudo, esta máquina foi usada para criar filmes de sulfeto de európio e trióxido de tungstênio, um precursor do dissulfeto de tungstênio 2D. Crédito:Douglas Levere / University at Buffalo

    "Mostramos que a mudança na energia dos dois vales pode ser aumentada em duas ordens de magnitude se colocarmos uma fina camada de sulfeto de európio magnético sob o dissulfeto de tungstênio, "Diz Zeng." Quando aplicamos um campo magnético de 1 Tesla, somos capazes de realizar uma mudança enorme na energia dos vales - equivalente ao que poderíamos esperar alcançar aplicando um campo magnético de cerca de cem Tesla se o sulfeto de európio não estivesse presente. "

    "O tamanho do efeito era muito grande - era como usar um amplificador de campo magnético, "Petrou diz." Foi tão surpreendente que tivemos que verificar várias vezes para ter certeza de que não cometemos erros. "

    O resultado final? A capacidade de manipular e detectar elétrons nos vales é bastante aprimorada, qualidades que poderiam facilitar o controle de qubits para computação quântica.

    Valley afirma como qubits para computação quântica

    Como outras formas de computação quântica, a computação quântica baseada em vale dependeria das qualidades peculiares das partículas subatômicas - neste caso, elétrons - para realizar cálculos poderosos.

    Os elétrons se comportam de maneiras que podem parecer estranhas - eles podem estar em vários lugares ao mesmo tempo, por exemplo. Como resultado, 1 e 0 não são os únicos estados possíveis em sistemas que usam elétrons em vales como qubits. Um qubit também pode estar em qualquer superposição desses estados, permitindo que os computadores quânticos explorem muitas possibilidades simultaneamente, Zeng diz.

    "É por isso que a computação quântica é tão poderosa para certas tarefas especiais, "Diz Zeng." Devido à natureza probabilística e aleatória da computação quântica, é particularmente adequado para aplicações como inteligência artificial, criptografia, modelagem financeira e simulações de mecânica quântica para projetar melhores materiais. Contudo, muitos obstáculos precisam ser superados, e provavelmente estaremos muitos anos longe se a computação quântica universal escalável se tornar uma realidade. "

    O novo estudo baseia-se no trabalho anterior de Zeng e Petrou, em que eles usaram sulfeto de európio e campos magnéticos para alterar a energia de dois vales em outro material 2-D:disseleneto de tungstênio (WSe 2 )

    Embora WS 2 e WSe 2 são similares, eles responderam de forma diferente ao exercício de "divisão do vale". No WS 2 , o vale que ficou "mais profundo" era análogo ao vale em WSe 2 que se tornou "mais raso, " e vice versa, criando oportunidades para explorar como essa distinção poderia fornecer flexibilidade nas aplicações da tecnologia.

    Uma característica que ambos os materiais compartilham pode beneficiar a computação quântica:em ambos os WS 2 e WSe 2 , elétrons que povoam os dois vales de energia têm spins opostos, uma forma de momento angular. Embora essa característica não seja necessária para a criação de um qubit, ele "fornece certa proteção aos estados quânticos, tornando-os mais robustos, "Zeng diz.

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