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A chave para desenvolver a eletrônica quântica pode ter alguns problemas. De acordo com uma equipe liderada por pesquisadores da Penn State, isso não é algo ruim quando se trata do controle preciso necessário para fabricar e operar tais dispositivos, incluindo sensores e lasers avançados. Os pesquisadores fabricaram um interruptor para ligar e desligar a presença de estados de torção, que são caminhos de condução elétrica na borda de materiais semicondutores. Ao controlar a formação dos estados de torção, os pesquisadores podem regular o fluxo de elétrons em um sistema quântico.
“Nós imaginamos a construção de uma rede de interconexão quântica usando os estados kink como a espinha dorsal”, disse o líder da equipe Jun Zhu, professor de física na Penn State. Zhu também é afiliado ao Center for 2-Dimensional Layered Materials da Penn State. “Essa rede pode ser usada para transportar informações quânticas no chip por uma longa distância, para a qual um fio de cobre clássico não funcionará porque tem resistência e, portanto, não pode manter a coerência quântica.”
O trabalho, publicado recentemente em Ciênciapotencialmente fornece uma base para que pesquisadores continuem investigando estados de torção e sua aplicação em dispositivos de óptica quântica de elétrons e computadores quânticos.
“Este interruptor opera de forma diferente de um interruptor convencional, onde a corrente elétrica é regulada por um portão, similarmente ao tráfego por uma praça de pedágio”, disse Zhu. “Aqui, estamos removendo e reconstruindo a própria estrada.”
Estados Kink existem em um dispositivo quântico construído com um material conhecido como grafeno bicamada Bernal. Isso compreende duas camadas de carbono atomicamente fino empilhadas juntas, de tal forma que os átomos em uma camada estão desalinhados com os átomos na outra. Esse arranjo, junto com o uso de um campo elétrico, cria propriedades eletrônicas incomuns — incluindo o efeito Hall do vale quântico.
Este efeito se refere ao fenômeno de elétrons ocupando diferentes estados de “vale” — identificados com base em sua energia em relação ao seu momento — também se movem em direções opostas para frente e para trás. Estados de torção são manifestações do efeito Hall de vale quântico.
“O mais incrível sobre nossos dispositivos é que podemos fazer com que elétrons se movendo em direções opostas não colidam uns com os outros — o que é chamado de retroespalhamento — mesmo que compartilhem os mesmos caminhos”, disse o primeiro autor Ke Huang, um aluno de pós-graduação que busca um doutorado em física na Penn State sob a orientação de Zhu. “Isso corresponde à observação de um valor de resistência ‘quantizado’, que é a chave para a aplicação potencial dos estados de torção como fios quânticos para transmitir informações quânticas.”
Embora o laboratório Zhu tenha publicado sobre os estados de torção antes, eles só alcançaram a quantização do efeito Hall do vale quântico no trabalho atual após melhorar a limpeza eletrônica dos dispositivos, o que significa que eles removeram fontes que poderiam permitir que elétrons se movendo em direções opostas colidissem. Eles fizeram isso incorporando uma pilha limpa de grafite/nitreto de boro hexagonal como um portão global — ou um mecanismo que pode permitir o fluxo de elétrons — nos dispositivos.
Tanto o grafite quanto o nitreto de boro hexagonal são compostos comumente usados como lubrificantes para tintas, cosméticos e muito mais. O grafite conduz bem a eletricidade, enquanto o nitreto de boro hexagonal é um isolante. Os pesquisadores usaram essa combinação para conter elétrons nos estados de torção e controlar seu fluxo.
“A incorporação de uma pilha de grafite/nitreto de boro hexagonal como uma porta global é extremamente importante para a eliminação da retrodispersão de elétrons”, disse Huang, observando que o uso desse material foi o principal avanço técnico do estudo atual.
Os pesquisadores também descobriram que a quantização dos estados de torção permanece mesmo quando a temperatura é elevada a várias dezenas de Kelvin, a unidade científica de temperatura. Zero Kelvin corresponde a -460 graus Fahrenheit.
“Os efeitos quânticos são frequentemente frágeis e só sobrevivem em temperaturas criogênicas de alguns Kelvin”, disse Zhu. “Quanto mais alta a temperatura que pudermos fazer esse trabalho, mais provável será que ele possa ser usado em aplicações.”
Os pesquisadores testaram experimentalmente o interruptor que construíram e descobriram que ele poderia controlar o fluxo de corrente de forma rápida e repetida. Isso se soma ao arsenal de widgets de eletrônica quântica baseados em estado de torção que ajudam a controlar e direcionar elétrons — válvula, guia de onda, divisor de feixe — construídos anteriormente pelo laboratório Zhu.
“Desenvolvemos um sistema de rodovia quântica que poderia transportar elétrons sem colisão, ser programado para direcionar o fluxo de corrente e é potencialmente escalável — tudo isso estabelece uma base sólida para estudos futuros explorando a ciência fundamental e os potenciais de aplicação deste sistema”, disse Zhu. “Claro, para realizar um sistema de interconexão quântica, ainda temos um longo caminho a percorrer.”
Zhu observou que o próximo objetivo de seu laboratório é demonstrar como os elétrons se comportam como ondas coerentes ao viajar pelas rodovias estaduais sinuosas.
Outros autores incluem Hailong Fu, ex-bolsista de pós-doutorado e Eberly Fellow em física na Penn State, e atual professor assistente na Universidade de Zhejiang, na China; e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi, ambos do Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão.
A Fundação Nacional de Ciências dos EUA, o Departamento de Energia dos EUA, a Penn State Eberly Research Fellowship, a Kaufman New Initiative da Pittsburgh Foundation, a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência e a World Premier International Research Initiative do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão financiaram esta pesquisa.
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