Um chip de computador pode ter perda zero de energia em dimensões de 1,58?

E se pudéssemos encontrar uma maneira de fazer as correntes elétricas fluírem, sem perda de energia? Uma abordagem promissora para isso envolve o uso de materiais conhecidos como isolantes topológicos. Sabe-se que eles existem em uma (fio), duas (folha) e três (cubo) dimensões; todos com diferentes aplicações possíveis em dispositivos eletrônicos.

Físicos teóricos da Universidade de Utrecht, juntamente com experimentalistas da Universidade Jiao Tong de Xangai, descobriram que isoladores topológicos também podem existir em dimensões de 1,58, e que estes poderiam ser usados ​​para processamento de informação com eficiência energética. Seu estudo foi publicado em Física da Natureza.

Bits clássicos, as unidades de operação do computador, são baseadas em correntes elétricas: elétrons correndo significa 1, nenhum elétron correndo significa 0. Com uma combinação de 0’s e 1’s, pode-se construir todos os dispositivos que você usa em sua vida diária, de celulares a computadores. No entanto, enquanto correm, esses elétrons encontram defeitos e impurezas no material e perdem energia. Isso é o que acontece quando seu dispositivo esquenta: a energia é convertida em calor e, portanto, sua bateria é drenada mais rápido.

Um novo estado da matéria

Isoladores topológicos são materiais especiais que permitem o fluxo de corrente sem perda de energia. Eles só foram descobertos em 1980 e sua descoberta recebeu o Prêmio Nobel. Revelou um novo estado da matéria: por dentro, os isoladores topológicos são isolantes, enquanto nas suas fronteiras circulam correntes.

Isto os torna muito adequados para aplicação em tecnologias quânticas e pode reduzir enormemente o consumo mundial de energia. Só havia um problema: essas propriedades só foram descobertas na presença de campos magnéticos muito fortes e temperaturas muito baixas, em torno de 270 graus Celsius negativos, o que as tornava inadequadas para uso no dia a dia.

Nas últimas décadas, foram feitos progressos significativos para superar essas limitações. Em 2017, os pesquisadores descobriram que uma camada bidimensional de bismuto com a espessura de um único átomo apresentava todas as propriedades corretas à temperatura ambiente, sem a presença de um campo magnético. Esse avanço aproximou da realidade o uso de isoladores topológicos em dispositivos eletrônicos.

Brócolis Romanesco

No consórcio QuMAT, físicos teóricos da Universidade de Utrecht, juntamente com investigadores da Universidade Jiao Tong de Xangai, demonstraram agora que muitos estados sem perda de energia podem existir algures entre uma e duas dimensões. Nas dimensões 1,58, por exemplo.

Pode ser difícil imaginar dimensões de 1,58, mas a ideia é mais familiar do que você pensa. Essas dimensões podem ser encontradas em estruturas fractais, como os pulmões, a rede de neurônios do cérebro ou os brócolis Romanesco. São estruturas que se dimensionam de maneira diferente dos objetos normais, chamadas de “estruturas autossimilares”: se você aumentar o zoom, verá a mesma estrutura repetidas vezes.

O melhor dos dois mundos

Ao cultivar um elemento químico (bismuto) sobre um semicondutor (antimoneto de índio), os cientistas na China obtiveram estruturas fractais que foram formadas espontaneamente, ao variar as condições de crescimento. Os cientistas em Utrecht então mostraram teoricamente que, dessas estruturas, modos de canto de dimensão zero e estados de borda unidimensionais sem perdas emergiram.

“Olhando entre as dimensões, encontramos o melhor de dois mundos”, diz Cristiane Morais Smith, que lidera a pesquisa teórica na Universidade de Utrecht.

“Os fractais se comportam como isolantes topológicos bidimensionais em energias finitas e ao mesmo tempo exibem, em energia zero, um estado em seus cantos que poderia ser usado como um qubit, os blocos de construção dos computadores quânticos. Assim, a descoberta abre novos caminhos para os tão desejados qubits.”

Intuição

Curiosamente, a descoberta foi o resultado de um pressentimento. “Quando visitei a Universidade Jiao Tong de Xangai e vi as estruturas produzidas pelo grupo, fiquei muito entusiasmado”, diz Morais Smith.

“Minha intuição me dizia que as estruturas deveriam apresentar todas as propriedades corretas.” Ela então voltou para Utrecht e discutiu o problema com seus alunos, que ficaram muito interessados ​​em fazer os cálculos. Juntamente com o aluno de mestrado Robert Canyellas, seu ex-Ph.D. candidato Rodrigo Arouca (agora na Universidade de Uppsala) e atual Ph.D. candidato Lumen Eek, a equipe teórica conseguiu explicar os experimentos e confirmar as novas propriedades.

Dimensões desconhecidas

Na pesquisa de acompanhamento, o grupo experimental na China tentará desenvolver um supercondutor no topo da estrutura fractal. Esses fractais têm muitos buracos e há correntes sem perdas circulando em torno de muitos deles. Eles poderiam ser usados ​​para processamento de informações com eficiência energética.

As estruturas também exibem modos de energia zero em seus cantos, combinando assim o melhor dos mundos unidimensionais e bidimensionais, de acordo com Morais Smith.

“Se isso funcionar, pode revelar segredos ainda mais inesperados escondidos na dimensão 1,58”, ela diz. “As características topológicas dos fractais realmente mostram a riqueza de entrar em dimensões não mapeadas.”