Os materiais quânticos geraram um interesse considerável para aplicações de computação nas últimas décadas, mas propriedades quânticas não triviais – como supercondutividade ou spin magnético – permanecem em estados frágeis.



“Ao projetar materiais quânticos, o jogo é sempre uma luta contra a desordem”, disse Robert Hovden, professor associado de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Michigan.

O calor é a forma mais comum de desordem que perturba as propriedades quânticas. Os materiais quânticos muitas vezes só exibem fenômenos exóticos em temperaturas muito baixas, quando o átomo quase para de vibrar, permitindo que os elétrons circundantes interajam entre si e se reorganizem de maneiras inesperadas. É por isso que computadores quânticos estão sendo desenvolvidos atualmente em banhos de hélio líquido a -269°C, ou cerca de -450°F. Isso é apenas alguns graus acima de zero Kelvin (-273,15°C).

Os materiais também podem perder propriedades quânticas quando esfoliados de 3D para uma única camada 2D de átomos, espessura de particular interesse para o desenvolvimento de dispositivos em nanoescala.

Agora, uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Michigan desenvolveu uma nova maneira de induzir e estabilizar um fenômeno quântico exótico chamado onda de densidade de carga à temperatura ambiente. Basicamente, eles identificaram uma nova classe de materiais 2D. Os resultados são publicados em Nature Communications .

"Esta é a primeira observação de uma onda de densidade de carga ordenada e em duas dimensões. Ficamos chocados ao ver que ela não apenas tem uma onda de densidade de carga em duas dimensões, mas a onda de densidade de carga é bastante aprimorada", disse Hovden.

Em vez da abordagem típica de esfoliar e retirar camadas atômicas individuais para fazer um material 2D, os pesquisadores cultivaram o material 2D dentro de outra matriz. Eles apelidaram a nova classe de materiais de "endotaxial" das raízes gregas "endo", que significa dentro, e "taxis", que significa de maneira ordenada.

Os pesquisadores trabalharam com um cristal metálico, o dissulfeto de tântalo (TaS2), que, como qualquer cristal, possui átomos ordenados em um padrão, como bolas de pingue-pongue bem organizadas em todas as direções. Eles observaram que, à medida que o material crescia, os elétrons da camada de cristal 2D TaS2 imprensada se aglomeravam espontaneamente para formar seu próprio cristal, conhecido como cristal de carga ou onda de densidade de carga – um padrão repetitivo na distribuição de elétrons em um material sólido.

À medida que os elétrons se aglomeram e se cristalizam, seu movimento é restrito e o metal não conduz mais bem a eletricidade. Sem alterar a química do material, a formação do cristal de carga converteu o material de condutor em isolante. Este fenômeno quântico exótico pode ser útil como transistor na computação clássica ou quântica, atuando como uma porta para controlar o fluxo de tensão.

"Isso abre a ideia de que a síntese endotaxial pode ser uma estratégia importante para estabilizar estados quânticos frágeis nas faixas normais de temperatura em que existimos", disse Suk Hyun Sung, primeiro autor do artigo e doutorado pela Universidade de Michigan e atual pós-doutorado em do Instituto Rowland da Universidade de Harvard.

Com um cristal de carga estável à temperatura ambiente em mãos, os pesquisadores decidiram aquecê-lo para observar as mudanças.

"Ele é pedido em temperaturas inesperadamente altas. Não apenas em temperatura ambiente, mas se você aquecê-lo além do ponto de ebulição da água, ele ainda terá uma onda de densidade de carga", disse Hovden.

Os pesquisadores eventualmente observaram o cristal de carga derreter enquanto o material permanecia sólido, removendo o estado quântico.

Experiências como esta avançam a nossa compreensão básica dos materiais quânticos, o que é essencial à medida que os investigadores trabalham para aproveitar fenómenos quânticos exóticos para soluções de engenharia.

“Os materiais quânticos vão revolucionar a computação clássica e quântica”, disse Hovden.

Ambos os campos estão paralisados, diz Hovden. A computação clássica esgotou o que o silício pode fazer e a computação quântica atualmente só pode operar em temperaturas extremamente baixas. Eles precisam de materiais quânticos para avançar.

Por enquanto, esta pesquisa estabelece as bases para a descoberta de novos materiais quânticos usando a síntese endotaxial e oferece uma promessa para a estabilização de propriedades quânticas em temperaturas mais práticas.

Mais informações: Suk Hyun Sung et al, Estabilização endotaxial de ondas de densidade de carga 2D com ordem de longo alcance, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45711-3
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Faculdade de Engenharia da Universidade de Michigan