Chips de computador podem ter perda zero de energia na dimensão 1,58

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/07/2024

O fenômeno foi tanto embasado teoricamente, como demonstardo experimentalmente.
[Imagem: R. Canyellas et al. - 10.1038/s41567-024-02551-8]

Dois tipos de supercondutividade

Você certamente já ouviu falar da supercondutividade e dos supercondutores, materiais que permitem que a corrente elétrica flua sem qualquer resistência e sem perdas.

Mas você sabia que, nos anos recentes, surgiu uma outra maneira de conseguir fazer (quase) a mesma coisa usando um outro tipo de material?

Materiais emergentes, conhecidos como isolantes topológicos, tornaram-se rapidamente as estrelas de vários campos de pesquisa, da computação quântica até formas alternativas de computação.

Os isolantes topológicos são materiais cujas propriedades dependem de sua geometria, e eles também permitem o fluxo de corrente sem perda de energia (veja suas diferenças em relação ao supercondutores abaixo). Sua descoberta, que recebeu o Nobel de Física em 2016, revelou um novo estado da matéria: Por dentro, os isolantes topológicos são isolantes, enquanto nas suas bordas as correntes elétricas circulam, e circulam muito bem.

Agora, físicos das universidades de Uppsala (Suécia), Utrecht (Países Baixos) e Shanghai Jiao Tong (China), liderados por uma pesquisadora brasileira, descobriram que os isolantes topológicos podem existir não apenas em 1D, 2D ou 3D, mas também em uma curiosa dimensão 1,58, e que esta dimensão pode ser usada para o processamento de informações com eficiência energética total.

A dimensão 1,58 emergiu nos fractais.
[Imagem: R. Canyellas et al. - 10.1038/s41567-024-02551-8]

Dimensões 1,58

A equipe descobriu que muitos estados sem perda de energia dos isolantes topológicos - algo que os torna muito interessantes para a computação quântica porque os qubits ficam imunes a erros - podem existir em algum lugar entre uma (1D) e duas dimensões (2D) - nas dimensões 1,58, por exemplo.

Pode parecer 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 nas folhas de samambaia, nos brócolis, nos nossos pulmões ou na rede de neurônios do cérebro.

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.

Ao cultivar um elemento químico (bismuto) em cima de um semicondutor (antimoneto de índio), variando as condições de crescimento, os cientistas obtiveram estruturas fractais que se formaram espontaneamente. Eles então demonstraram teoricamente que, a partir dessas estruturas, emergem modos de canto de dimensão zero e estados de borda unidimensionais, que permitem que os elétrons fluam sem perdas.

"Os fractais se comportam como isolantes topológicos bidimensionais em energias finitas e, ao mesmo tempo, apresentam, em energia zero, um estado em seus cantos que pode ser usado como um qubit, os blocos de construção dos computadores quânticos. Assim, a descoberta abre novos caminhos para os tão desejados qubits," disse a brasileira Cristiane Lehner. "Ao olhar entre as dimensões, encontramos o melhor de dois mundos."

Foi Cristiane quem teve a intuição sobre essa possibilidade e reuniu uma equipe de teóricos e experimentalistas para demonstrá-la. Outro brasileiro, Rodrigo Arouca, também participa da equipe.

Agora é esperar que os engenheiros da computação quântica tirem proveito desta nova possibilidade, que tem a vantagem enorme de, ao menos teoricamente, poder funcionar a temperatura ambiente.

Esquerda: Fractal de bismuto (amarelo) formado sobre antimoneto de índio (marrom), com os átomos individuais visíveis. À direita, a densidade local de elétrons em um fractal.
[Imagem: R. Canyellas et al. - 10.1038/s41567-024-02551-8]

Diferenças entre supercondutores e isolantes topológicos

Embora seja possível fazer comparações entre os supercondutores e os isolantes topológicos, há também diferenças marcantes entre eles. A maior delas é que os isolantes topológicos só conduzem eletricidade na sua superfície - seu interior é isolante.

Além disso, essa condução elétrica superficial apresenta uma resistência muito baixa, mas não uma resistência zero, como em um supercondutor perfeito.

Embora ainda não seja totalmente compreendida, a supercondutividade parece ser consequência de um fenômeno quântico especial, onde os elétrons se emparelham e se comportam coletivamente. Já os isolantes topológicos devem suas propriedades surpreendentes à sua estrutura de banda eletrônica e de um conceito chamado topologia, que tem a ver com as propriedades globais de um material que não podem ser alteradas sem alterá-lo fundamentalmente.

Quando foram descobertas, essas propriedades dos isolantes topológicos apareceram apenas na presença de campos magnéticos muito fortes e a temperaturas muito baixas, em torno de 270 graus Celsius negativos, algo bastante similar aos supercondutores. Em 2017, contudo, descobriu-se que uma camada bidimensional de bismuto, com a espessura de um único átomo, apresenta todas as propriedades isolantes topológicas à temperatura ambiente, sem a presença de um campo magnético. Esse avanço trouxe para mais próximo da realidade o uso desses materiais, o que já está sendo explorado na computação quântica e na spintrônica.

Hoje já se sabe que a a topologia está em toda a natureza, ou seja, os isolantes topológicos não são tão raros como se imaginava.

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