Grafeno e fios de nanotubos criam tecnologia quântica do carbono

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/08/2023

A grande expectativa é que as nanofitas viabilizem a exploração de fenômenos quânticos a temperatura ambiente.
[Imagem: Empa]

Melhor do que grafeno

O recente recorde de maior fita de grafeno já produzida reviveu as esperanças de que o grafeno possa vir a cumprir sua extensa lista de promessas, que não têm-se transformado em realidade devido sobretudo às dificuldades de fabricação.

As nanofitas de carbono têm-se mostrado particularmente promissoras para aplicações práticas porque elas são mais fáceis de sintetizar e de poderem ter suas características controladas pela geometria de suas bordas.

"As nanofitas de grafeno são ainda mais fascinantes do que o próprio grafeno," disse o professor Mickael Perrin, do Laboratório Federal Suíço de Ciência e Tecnologia de Materiais (EMPA). "Variando seu comprimento e largura, bem como a forma de suas bordas, e adicionando outros átomos a elas, você pode dar a elas todos os tipos de propriedades elétricas, magnéticas e ópticas."

Além disso, como suas dimensões não passam de alguns poucos átomos - de espessura é apenas um átomo -, as nanofitas de grafeno são de particular interesse para as tecnologias quânticas.

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O projeto (em cima) e um dos circuitos construídos pela equipe. A indicação SWNT é a sigla em inglês para nanotubo de carbono de parede única.
[Imagem: Jian Zhang et al. - 10.1038/s41928-023-00991-3]

Nanofitas de grafeno

Agora, pela primeira vez, pesquisadores conseguiram anexar eletrodos a nanofitas de carbono tão pequenas quanto nove átomos, o que mede cerca de 1 nanômetro.

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 - um nanotubo de carbono é essencialmente uma fita de grafeno enrolada em forma de canudo.

Mas fazer o contato entre estruturas tão pequenas e tão delicadas não é fácil. "Os nanotubos de carbono e as nanofitas de grafeno são cultivadas em substratos separados," explica o professor Jin 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.

As propriedades das nanofitas variam dependendo da sua largura e da forma de suas bordas (em cima). Embaixo uma micrografia de uma nanofita real.
[Imagem: Empa]

Tecnologia quântica do carbono

O próximo passo será preparar estruturas prontas para explorar os efeitos quânticos, o que poderá definir a faixa de aplicação desta tecnologia de processo. E a expectativa é grande porque há a possibilidade de que as nanofitas possam ser usadas diretamente, sem os caros aparatos de refrigeração típicas dos experimentos dessa natureza.

"Devido ao tamanho extremamente pequeno dessas nanofitas, esperamos que seus efeitos quânticos sejam tão robustos que sejam observáveis mesmo à temperatura ambiente," disse o professor Perrin.

Um dos objetivos da equipe é construir qubits que funcionem a temperatura ambiente. A ideia é fazer isto criando duas nanofitas conectadas em série, formando um duplo ponto quântico, mas uma versão mais robusta do que o qubit mecânico demonstrado recentemente.

E, além de abrir caminho para uso prático do grafeno na computação quântica, a tecnologia oferece novas possibilidades para a promissora eletrônica do carbono, que promete aumentar a velocidade dos computadores e reduzir seu consumo de energia em mais de mil vezes - na verdade, alguns especialistas apostam que a tecnologia possa migrar dos metais para o carbono.

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