Cientistas de todo o mundo estão desenvolvendo novo hardware para computadores quânticos, um novo tipo de dispositivo que pode acelerar o design de medicamentos, modelagem financeira, e previsão do tempo. Esses computadores dependem de qubits, bits de matéria que podem representar alguma combinação de 1 e 0 simultaneamente. O problema é que os qubits são inconstantes, degradando-se em bits regulares quando as interações com a matéria circundante interferem. Mas uma nova pesquisa do MIT sugere uma maneira de proteger seus estados, usando um fenômeno chamado localização de muitos corpos (MBL).

MBL é uma fase peculiar da matéria, proposto décadas atrás, que é diferente de sólido ou líquido. Tipicamente, a matéria chega ao equilíbrio térmico com seu ambiente. É por isso que a sopa esfria e os cubos de gelo derretem. Mas em MBL, um objeto que consiste em muitos corpos interagindo fortemente, como átomos, nunca atinge tal equilíbrio. Aquecer, como som, consiste em vibrações atômicas coletivas e pode viajar em ondas; um objeto sempre tem essas ondas de calor internamente. Mas quando há desordem suficiente e interação suficiente na forma como seus átomos estão dispostos, as ondas podem ficar presas, evitando assim que o objeto alcance o equilíbrio.

MBL foi demonstrado em "redes ópticas, "arranjos de átomos em temperaturas muito frias mantidos no lugar usando lasers. Mas tais configurações são impraticáveis. MBL também foi comprovadamente mostrado em sistemas sólidos, mas apenas com dinâmica temporal muito lenta, em que a existência da fase é difícil de provar porque o equilíbrio poderia ser alcançado se os pesquisadores pudessem esperar o tempo suficiente. A pesquisa do MIT encontrou assinaturas de MBL em um sistema de "estado sólido" - um feito de semicondutores - que, de outra forma, teria alcançado o equilíbrio no momento em que foi assistido.

"Isso poderia abrir um novo capítulo no estudo da dinâmica quântica, "diz Rahul Nandkishore, um físico da Universidade do Colorado em Boulder, que não estava envolvido no trabalho.

Mingda Li, o Norman C Rasmussen Professor Assistente de Ciência Nuclear e Engenharia do MIT, conduziu o novo estudo, publicado em uma edição recente da Nano Letras . Os pesquisadores construíram um sistema contendo camadas alternadas de semicondutores, criando uma lasanha microscópica - arseneto de alumínio, seguido por arsenieto de gálio, e assim por diante, para 600 camadas, cada um com 3 nanômetros (milionésimos de milímetro) de espessura. Entre as camadas, eles dispersaram "nanopontos, "Partículas de 2 nanômetros de arsenieto de érbio, para criar desordem. A lasanha, ou "superrede, "veio em três receitas:uma sem nanopontos, um em que os nanopontos cobriram 8 por cento da área de cada camada, e um em que eles cobriram 25 por cento.

De acordo com Li, a equipe usou camadas de material, em vez de um material a granel, para simplificar o sistema para que a dissipação de calor pelos planos fosse essencialmente unidimensional. E eles usaram nanopontos, em vez de meras impurezas químicas, para aumentar a desordem.

Para medir se esses sistemas desordenados ainda estão em equilíbrio, os pesquisadores os mediram com raios-X. Usando a fonte avançada de fótons do Argonne National Lab, eles dispararam feixes de radiação com uma energia de mais de 20, 000 elétron-volts, e para resolver a diferença de energia entre o raio-X de entrada e após sua reflexão na superfície da amostra, com uma resolução de energia inferior a um milésimo de um volt de elétron. Para evitar penetrar na superrede e atingir o substrato subjacente, eles o filmaram em um ângulo de apenas meio grau do paralelo.

Assim como a luz pode ser medida como ondas ou partículas, assim também pode aquecer. A vibração atômica coletiva para o calor na forma de uma unidade portadora de calor é chamada de fônon. Os raios X interagem com esses fônons, e medindo como os raios-X refletem na amostra, os experimentadores podem determinar se está em equilíbrio.

Os pesquisadores descobriram que quando a superrede estava fria - 30 Kelvin, cerca de -400 graus Fahrenheit - e continha nanopontos, seus fônons em certas frequências permaneceram fora de equilíbrio.

Ainda há mais trabalho para provar conclusivamente que o MBL foi alcançado, mas "esta nova fase quântica pode abrir uma plataforma totalmente nova para explorar fenômenos quânticos, "Li diz, "com muitas aplicações potenciais, do armazenamento térmico à computação quântica. "

Para criar qubits, alguns computadores quânticos empregam partículas de matéria chamadas pontos quânticos. Li diz que os pontos quânticos semelhantes aos nanopontos de Li podem atuar como qubits. Os ímãs podem ler ou escrever seus estados quânticos, enquanto a localização de muitos corpos os manteria isolados do calor e de outros fatores ambientais.

Em termos de armazenamento térmico, tal superrede pode entrar e sair de uma fase MBL controlando magneticamente os nanopontos. Pode isolar as peças do computador do calor em um momento, em seguida, permita que as peças dispersem o calor quando ele não causar danos. Ou pode permitir que o calor se acumule e seja aproveitado mais tarde para gerar eletricidade.

Convenientemente, super-redes com nanopontos podem ser construídas usando técnicas tradicionais para a fabricação de semicondutores, ao lado de outros elementos de chips de computador. De acordo com Li, "É um espaço de design muito maior do que com dopagem química, e existem inúmeras aplicações. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.