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Um novo método elétrico para mudar convenientemente a direção do fluxo de elétrons em alguns materiais quânticos poderia ter implicações para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos e computadores quânticos de próxima geração. Uma equipe de pesquisadores da Penn State desenvolveu e demonstrou o método em materiais que exibem o efeito Hall anômalo quântico (QAH) – um fenômeno no qual o fluxo de elétrons ao longo da borda de um material não perde energia. A equipe descreveu o trabalho em um artigo publicado hoje (19 de outubro) na revista Materiais da Natureza.
“À medida que os dispositivos eletrônicos ficam menores e as demandas computacionais maiores, é cada vez mais importante encontrar maneiras de melhorar a eficiência da transferência de informações, o que inclui o controle do fluxo de elétrons”, disse Cui-Zu Chang, professor em início de carreira Henry W. Knerr e professor associado de física na Penn State e co-autor correspondente do artigo. “O efeito QAH é promissor porque não há perda de energia à medida que os elétrons fluem ao longo das bordas dos materiais.”
Em 2013, Chang foi o primeiro a demonstrar experimentalmente este fenômeno quântico. Os materiais que exibem esse efeito são chamados de isoladores QAH, que são um tipo de isolante topológico – uma fina camada de filme com apenas algumas dezenas de átomos de espessura – que foram tornados magnéticos para que conduzam corrente apenas em suas bordas. Como os elétrons viajam de forma limpa em uma direção, o efeito é denominado sem dissipação, o que significa que nenhuma energia é perdida na forma de calor.
“Em um isolador QAH, os elétrons de um lado do material viajam em uma direção, enquanto os do outro lado viajam na direção oposta, como uma rodovia de duas pistas”, disse Chang. “Nosso trabalho anterior demonstrou como aumentar o efeito QAH, essencialmente criando uma rodovia multipista para um transporte mais rápido de elétrons. Neste estudo, desenvolvemos um novo método elétrico para controlar a direção de transporte da rodovia de elétrons e fornecer uma maneira para esses elétrons fazer uma inversão de marcha imediata.”
Os pesquisadores fabricaram um isolador QAH com propriedades específicas e otimizadas. Eles descobriram que a aplicação de um pulso de corrente de 5 milissegundos ao isolador QAH afeta o magnetismo interno do material e faz com que os elétrons mudem de direção. A capacidade de mudar de direção é crítica para otimizar a transferência, o armazenamento e a recuperação de informações em tecnologias quânticas. Ao contrário da electrónica actual, onde os dados são armazenados num estado binário como ligado ou desligado – como um ou zero – os dados quânticos podem ser armazenados simultaneamente numa gama de estados possíveis. Alterar o fluxo de elétrons é um passo importante na escrita e leitura desses estados quânticos.
“O método anterior para mudar a direção do fluxo de elétrons dependia de um ímã externo para alterar o magnetismo do material, mas usar ímãs em dispositivos eletrônicos não é o ideal”, disse Chao-Xing Liu, professor de física na Penn State e coautor correspondente. do papel. “Ímãs volumosos não são práticos para dispositivos pequenos como smartphones, e uma chave eletrônica é normalmente muito mais rápida do que uma chave magnética. Neste trabalho, encontramos um método eletrônico conveniente para alterar a direção do fluxo de elétrons.”
Os pesquisadores otimizaram anteriormente o isolador QAH para que pudessem aproveitar um mecanismo físico do sistema para controlar seu magnetismo interno.
“Para tornar este método eficaz, precisávamos aumentar a densidade da corrente aplicada”, disse Liu. “Ao estreitar os dispositivos isolantes QAH, o pulso de corrente resultou em uma densidade de corrente muito alta que mudou a direção da magnetização, bem como a direção da rota de transporte de elétrons.”
Essa mudança do controle magnético para o eletrônico em materiais quânticos, segundo os pesquisadores, é semelhante a uma mudança que ocorreu no armazenamento de memória tradicional: embora o armazenamento de informações em discos rígidos e disquetes originais envolvesse o uso de ímãs para criar um campo magnético dados de campo e gravação, a “memória flash” mais recente, como a usada em unidades USB, discos rígidos de estado sólido e smartphones, é gravada eletronicamente. Novas tecnologias promissoras para aumentar a memória, como a MRAM, também dependem de mecanismos físicos relacionados ao magnetismo interno.
Além da demonstração experimental, a equipe de pesquisa também forneceu uma interpretação teórica de sua metodologia.
A equipe está atualmente explorando como pausar os elétrons em sua rota – essencialmente para ligar e desligar o sistema. Eles também estão buscando demonstrar o efeito QAH em temperaturas mais altas.
“Este efeito, assim como os requisitos atuais para computadores quânticos e supercondutores, requerem temperaturas muito baixas, próximas do zero absoluto”, disse Chang. “Nosso objetivo de longo prazo é replicar o efeito QAH em temperaturas tecnologicamente mais relevantes”.
Além de Chang e Liu, a equipe de pesquisa da Penn State no momento da pesquisa incluía os pesquisadores de pós-doutorado Wei Yuan, Yang Wang e Hemian Yi; estudantes de pós-graduação Ling-Jie Zhou, Kaijie Yang, Yi-Fan Zhao, Ruoxi Zhang, Zijie Yan, Deyi Zhuo e Ruobing Mei; Morteza Kayyalha, professor assistente de engenharia elétrica; e Moses Chan, professor emérito de física da Universidade Evan Pugh.
O Escritório de Pesquisa do Exército, o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e a National Science Foundation (NSF) financiaram esta pesquisa. O Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais para Ciência em Nanoescala, financiado pela NSF, na Penn State, e a Iniciativa EPiQS da Fundação Gordon e Betty Moore forneceram apoio adicional.
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