Um avanço significativo foi alcançado pelos físicos quânticos de Dresden e Würzburg. Eles criaram um dispositivo semicondutor onde robustez e sensibilidade excepcionais são garantidas por um fenômeno quântico. Este efeito de pele topológico protege a funcionalidade do dispositivo de perturbações externas, permitindo medições com precisão sem precedentes.



Este avanço notável resulta do arranjo inteligente de contatos no material arsenieto de alumínio-gálio. Ele libera o potencial para módulos quânticos de alta precisão em física topológica, trazendo esses materiais para o foco da indústria de semicondutores. Esses resultados, publicados na Nature Physics , marca um marco importante.

Fenômeno topológico em um dispositivo semicondutor

Dispositivos semicondutores são pequenos componentes de comutação que controlam o fluxo de elétrons em dispositivos eletrônicos modernos. Eles alimentam itens de alta tecnologia onipresentes, como telefones celulares, laptops e sensores de automóveis, bem como equipamentos médicos de última geração. No entanto, impurezas materiais ou mudanças de temperatura podem perturbar o fluxo de elétrons, levando à instabilidade.

Mas agora, físicos teóricos e experimentais do Cluster de Excelência Würzburg-Dresden ct.qmat - Complexidade e Topologia em Matéria Quântica desenvolveram um dispositivo semicondutor a partir de arsenieto de alumínio-gálio (AlGaAs). O fluxo de elétrons deste dispositivo, geralmente suscetível a interferências, é salvaguardado por um fenômeno quântico topológico.

"Graças ao efeito de pele topológico, todas as correntes entre os diferentes contatos no semicondutor quântico não são afetadas por impurezas ou outras perturbações externas. Isso torna os dispositivos topológicos cada vez mais atraentes para a indústria de semicondutores. Eles eliminam a necessidade de níveis extremamente altos de pureza de material que atualmente aumenta os custos de fabricação de eletrônicos", explica o professor Jeroen van den Brink, diretor do Instituto de Física Teórica do Estado Sólido do Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais em Dresden (IFW) e investigador principal do ct .qmat.

Materiais quânticos topológicos, conhecidos por sua robustez excepcional, são ideais para aplicações de uso intensivo de energia. "Nosso semicondutor quântico é estável e altamente preciso - uma combinação rara. Isso posiciona nosso dispositivo topológico como uma nova opção emocionante em engenharia de sensores."

Extremamente robusto e ultrapreciso

A utilização do efeito de pele topológico permite novos tipos de dispositivos quânticos eletrônicos de alto desempenho que também podem ser incrivelmente pequenos. “Nosso dispositivo quântico topológico mede cerca de 0,1 milímetros de diâmetro e pode ser reduzido ainda mais com facilidade”, diz van den Brink.

O aspecto pioneiro da conquista da equipe de físicos de Dresden e Würzburg é que eles foram os primeiros a perceber o efeito topológico da pele em escala microscópica em um material semicondutor. Este fenómeno quântico foi inicialmente demonstrado a nível macroscópico há três anos – mas apenas num metamaterial artificial, não natural. Esta é, portanto, a primeira vez que um pequeno dispositivo quântico topológico baseado em semicondutores, altamente robusto e ultrassensível, foi desenvolvido.

"Em nosso dispositivo quântico, a relação corrente-tensão é protegida pelo efeito topológico da pele porque os elétrons estão confinados à borda. Mesmo no caso de impurezas no material semicondutor, o fluxo de corrente permanece estável, "explica van den Brink.

"Além disso, os contatos podem detectar até mesmo as menores flutuações na corrente ou tensão. Isso torna o dispositivo quântico topológico excepcionalmente adequado para fabricar sensores e amplificadores de alta precisão com diâmetros minúsculos."

A experimentação inovadora leva à descoberta

O sucesso foi alcançado organizando materiais e contatos de forma criativa em um dispositivo semicondutor AlGaAs, induzindo o efeito topológico sob condições ultrafrias e um forte campo magnético. “Nós realmente eliminamos o efeito topológico da pele do dispositivo”, explica van den Brink.

A equipe de física empregou uma estrutura semicondutora bidimensional. Os contatos foram dispostos de forma que a resistência elétrica pudesse ser medida nas bordas dos contatos, revelando diretamente o efeito topológico.

Desde 2019, o ct.qmat investiga materiais quânticos topológicos em Würzburg e Dresden, explorando seu comportamento extraordinário sob condições extremas, como temperaturas ultrabaixas, altas pressões ou campos magnéticos fortes.

O recente avanço é também o resultado da colaboração sustentada entre cientistas nos dois locais do cluster. O novo dispositivo quântico, concebido no IFW, foi um esforço conjunto envolvendo físicos teóricos da Universität Würzburg, bem como investigadores teóricos e experimentais em Dresden. Depois de produzido na França, o aparelho foi testado em Dresden. Jeroen van den Brink e os seus colegas dedicam-se agora a explorar ainda mais este fenómeno, com o objetivo de aproveitá-lo para futuras inovações tecnológicas.

Mais informações: Kyrylo Ochkan et al, Topologia não-Hermitiana em um dispositivo Hall quântico multiterminal, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02337-4
Informações do diário: Física da Natureza

Fornecido por Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat