Quando você pensa em espaço vazio, quase certamente imagina um vácuo no qual nada de interessante pode acontecer. No entanto, se ampliarmos para pequenas escalas de comprimento onde os efeitos quânticos começam a se tornar importantes, acontece que o que você pensava estar vazio está na verdade preenchido o tempo todo com uma massa fervilhante de atividade eletromagnética, à medida que fótons virtuais entram e desaparecem da existência. .



Este fenômeno inesperado é conhecido como campo de flutuação de vácuo. Mas como estas flutuações da energia luminosa são tão pequenas e passageiras no tempo, é difícil encontrar formas de a matéria interagir com elas, especialmente dentro de um dispositivo único e integrado.

Em um estudo intitulado "Detecção elétrica de interação coerente ultraforte entre campos terahertz e elétrons usando contatos pontuais quânticos" publicado este mês na Nano Letters , pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio conseguiram fabricar um único sistema híbrido em nanoescala para fazer exatamente isso. Em seu projeto, um contato pontual quântico conecta um único ressonador de anel dividido no chip com um sistema eletrônico bidimensional.

O ressonador de anel dividido, que é um loop metálico quadrado nanométrico com uma pequena lacuna, responde mais fortemente quando excitado com frequências ressonantes específicas de radiação eletromagnética terahertz. As medições ópticas convencionais anteriormente exigiam matrizes com muitos ressonadores, mas a equipe agora é capaz de detectar acoplamento ultraforte usando um único ressonador de anel dividido terahertz conectado a elétrons 2D.

Para tornar o processamento de informações quânticas mais viável no futuro, é importante ser capaz de determinar o estado quântico usando uma estrutura ressonadora simples e única. Esse objetivo também se torna mais alcançável usando detecção elétrica, em vez de óptica, que é realizada usando o contato elétrico de ponto quântico.

“Diz-se que a matéria que pode interagir com as flutuações do vácuo do campo eletromagnético está no regime de acoplamento ultraforte”, diz o primeiro autor do estudo, Kazuyuki Kuroyama. O experimento mostrou que o sinal de corrente no ponto de contato quântico poderia ser usado para detectar o acoplamento ultraforte do ressonador de anel dividido único com o gás de elétrons 2D.

Além disso, a corrente elétrica poderia ser medida no ponto de contato quântico, mesmo sem a aplicação de radiação externa. Modulações na corrente permitiram aos pesquisadores concluir que as interações entre o gás de elétrons 2D e as flutuações do campo de vácuo do ressonador ainda ocorrem na ausência de radiação terahertz.

“Nossas descobertas podem permitir sensores quânticos altamente sensíveis que operam com base no acoplamento entre flutuações de vácuo e um dispositivo quântico híbrido integrado”, diz Kazuhiko Hirakawa, autor sênior.

Além de aprender mais sobre as leis fundamentais da natureza em escalas muito pequenas, as descobertas deste estudo podem ser usadas para ajudar a desenvolver futuros computadores quânticos que possam fazer uso dos fenômenos usuais para processar ou transmitir dados.

Mais informações: Kazuyuki Kuroyama et al, Detecção Elétrica de Interação Coerente Ultraforte entre Campos Terahertz e Elétrons Usando Contatos de Ponto Quântico, Nano Letras (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c02272
Informações do diário: Nanoletras

Fornecido pela Universidade de Tóquio