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A tecnologia quântica é promissora, mas também desconcertante. Nas próximas décadas, espera-se que nos forneça vários avanços tecnológicos: sensores menores e mais precisos, redes de comunicação altamente seguras e computadores poderosos que podem ajudar a desenvolver novos medicamentos e materiais, controlar mercados financeiros e prever o tempo muito mais rápido do que tecnologia de computação atual jamais poderia.
Para conseguir isso, precisamos dos chamados materiais quânticos: substâncias que exibem efeitos físicos quânticos pronunciados. Um desses materiais é o grafeno. Esta forma estrutural bidimensional de carbono tem propriedades físicas incomuns, como resistência à tração extraordinariamente alta, condutividade térmica e elétrica – bem como certos efeitos quânticos. Restringir ainda mais o material já bidimensional, por exemplo, dando-lhe uma forma de fita, dá origem a uma gama de efeitos quânticos controláveis.
É exatamente isso que a equipe de Mickael Perrin utiliza em seu trabalho: há vários anos, cientistas do laboratório de Transporte em Nanoescala da Empa, liderado por Michel Calame, realizam pesquisas sobre nanofitas de grafeno sob a liderança de Perrin. “Nanorfitas de grafeno são ainda mais fascinantes do que o próprio grafeno”, explica Perrin. “Variando seu comprimento e largura, bem como a forma de suas bordas, e adicionando outros átomos a eles, você pode dar a eles todos os tipos de propriedades elétricas, magnéticas e ópticas.”
Precisão máxima – até átomos individuais
A pesquisa sobre as fitas promissoras não é fácil. Quanto mais estreita a fita, mais pronunciadas são suas propriedades quânticas – mas também se torna mais difícil acessar uma única fita de cada vez. Isso é exatamente o que deve ser feito para entender as características únicas e as possíveis aplicações desse material quântico e distingui-las dos efeitos coletivos.
Em um novo estudo publicado recentemente na revista Nature Electronics, Perrin e o pesquisador do Empa, Jian Zhang, juntamente com uma equipe internacional, conseguiram pela primeira vez entrar em contato com nanofitas de grafeno longas e atomicamente precisas. Não é uma tarefa trivial: “Uma nanofita de grafeno com apenas nove átomos de carbono mede apenas 1 nanômetro de largura”, diz Zhang. Para garantir que apenas uma única nanofita seja contatada, os pesquisadores empregaram eletrodos de tamanho semelhante: eles usaram nanotubos de carbono que também tinham apenas 1 nanômetro de diâmetro.
A precisão é a chave para um experimento tão delicado. Começa com os materiais de origem. Os pesquisadores obtiveram as nanofitas de grafeno por meio de uma colaboração forte e de longa data com o laboratório de superfícies de nanotecnologia da Empa, liderado por Roman Fasel. “Roman Fasel e sua equipe trabalham em nanofitas de grafeno há muito tempo e podem sintetizar muitos tipos diferentes com precisão atômica a partir de moléculas precursoras individuais”, explica Perrin. As moléculas precursoras vieram do Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros em Mainz.
Como muitas vezes é necessário para o avanço do estado da arte, a interdisciplinaridade é fundamental, e diferentes grupos de pesquisa internacionais foram envolvidos, cada um trazendo sua própria especialidade para a mesa: os nanotubos de carbono foram cultivados por um grupo de pesquisa da Universidade de Pequim e para interpretar Após os resultados do estudo, os pesquisadores do Empa colaboraram com cientistas da computação da Universidade de Warwick. “Um projeto como este não seria possível sem colaboração”, enfatiza Zhang.
O contato de fitas individuais por nanotubos representou um desafio considerável para os pesquisadores. “Os nanotubos de carbono e as nanofitas de grafeno são cultivadas em substratos separados”, explica Zhang. “Primeiro, os nanotubos precisam ser transferidos para o substrato do dispositivo e contatados por eletrodos de metal. Em seguida, os cortamos com litografia de feixe de elétrons de alta resolução para separá-los em dois eletrodos.” Finalmente, as fitas são transferidas para o mesmo substrato. A precisão é fundamental: mesmo a menor rotação dos substratos pode reduzir significativamente a probabilidade de um contato bem-sucedido. “Ter acesso à infraestrutura de alta qualidade no Binnig and Roher Nanotechnology Center na IBM Research em Rüschlikon foi essencial para testar e implementar essa tecnologia”, diz Perrin.
De computadores a conversores de energia
Os cientistas confirmaram o sucesso de seu experimento por meio de medições de transporte de carga. “Como os efeitos quânticos são geralmente mais pronunciados em baixas temperaturas, realizamos as medições em temperaturas próximas ao zero absoluto em alto vácuo”, explica Perrin. Mas ele é rápido em acrescentar outra qualidade particularmente promissora de nanofitas de grafeno: “Devido ao tamanho extremamente pequeno dessas nanofitas, esperamos que seus efeitos quânticos sejam tão robustos que sejam observáveis mesmo à temperatura ambiente”. Isso, diz o pesquisador, poderia nos permitir projetar e operar chips que aproveitam ativamente os efeitos quânticos sem a necessidade de uma infraestrutura de resfriamento elaborada.
“Este projeto permite a realização de dispositivos únicos de nanofita, não apenas para estudar efeitos quânticos fundamentais, como o comportamento de elétrons e fônons em nanoescala, mas também para explorar tais efeitos para aplicações em comutação quântica, detecção quântica e conversão de energia quântica”, disse. acrescenta Hatef Sadeghi, professor da Universidade de Warwick que colaborou no projeto.
As nanofitas de grafeno ainda não estão prontas para aplicações comerciais e ainda há muita pesquisa a ser feita. Em um estudo de acompanhamento, Zhang e Perrin pretendem manipular diferentes estados quânticos em uma única nanofita. Além disso, eles planejam criar dispositivos baseados em duas fitas conectadas em série, formando o chamado ponto quântico duplo. Tal circuito poderia servir como um qubit – a menor unidade de informação em um computador quântico. Além disso, Perrin, no contexto de sua bolsa inicial do ERC recentemente obtida e uma bolsa de estudos SNSF Eccellenza, planeja explorar o uso de nanofitas como conversores de energia altamente eficientes. Em sua palestra inaugural na ETH Zurich, ele pinta a imagem de um mundo, no qual podemos aproveitar a eletricidade da diferença de temperatura, enquanto dificilmente perdemos energia como calor – isso seria realmente um salto quântico real.
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