Fenômeno quântico pode ser explorado pela eletrônica convencional

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/04/2024

Ilustração do primeiro componente semicondutor quântico a apresentar o efeito de "pele protetora topológica". O fluxo de elétrons (círculo azul) ao longo da borda garante robustez incomparável, apesar das deformações do material ou outras perturbações externas. Este semicondutor quântico abre o caminho para novos avanços na eletrônica tradicional.
[Imagem: Christoph Mäder/pixelwg]

Eletrônica topológica

Não foi por acaso que o estudo da topologia rendeu o Nobel de Física de 2016: Além de sabermos agora que a topologia está em toda a natureza, materiais especiais, conhecidos como isolantes topológicos, apresentam características exóticas apenas em sua superfície, mas não em seu interior, o que tem sido explorado em aplicações que vão desde a eletrônica e a spintrônica até o armazenamento e manipulação de informações quânticas e a simulação de teorias exóticas da astrofísica.

A topologia é uma extensão da geometria que olha para a matéria de um jeito muito especial: Por exemplo, um copo e uma rosquinha são basicamente a mesma coisa para a topologia porque ambos têm um único furo. E, topologicamente falando, as coisas não podem mudar por meio de transições suaves - não é possível que um objeto passe a ter um buraco e meio, por exemplo, por meio de uma transição morfológica.

Como essas propriedades geométricas podem ser deformadas, mas não intrinsecamente alteradas, os materiais topológicos apresentam características específicas em sua superfície que são muito resilientes, virtualmente "blindadas" contra qualquer alteração em seu interior. É por isso que os isolantes topológicos tornaram-se tão importantes para a computação quântica.

A topologia cria uma espécie de "pele protetora" para os elétrons, que caminham apenas pela superfície do material.
[Imagem: Kyrylo Ochkan et al. - 10.1038/s41567-023-02337-4]

Semicondutor quântico

A novidade agora é que esses estados "protegidos" também podem ser explorados para a eletrônica convencional, tornando os transistores mais estáveis e mais energeticamente eficientes. Kyrylo Ochkan e colegas da Universidade Técnica de Dresden, na Alemanha, descobriram que um fenômeno quântico topológico protege o fluxo de elétrons nos semicondutores, normalmente muito sujeitos a interferências de impurezas do próprio material.

"Graças ao efeito de pele topológica, todas as correntes entre os diferentes contatos no semicondutor quântico não são afetadas por impurezas ou outras perturbações externas," explicou o professor Jeroen van den Brink, coordenador da pesquisa.

Impurezas do material ou mudanças de temperatura são os principais responsáveis por interromper o fluxo dos elétrons nos componentes semicondutores, levando à instabilidade.

A equipe então decidiu trabalhar com um semicondutor conhecido como AlGaAs (arseneto de alumínio-gálio) que apresenta efeitos topológicos. Como esperado, o fenômeno de superfície protege as correntes elétricas, que seguem sem perturbação mesmo quando o material recebe impurezas muito além das aceitáveis pelos padrões da indústria microeletrônica.

"Em nosso componente quântico, a relação corrente-tensão é protegida pelo efeito pelicular topológico porque os elétrons estão confinados à borda. Mesmo no caso de impurezas no material semicondutor, o fluxo de corrente permanece estável. Além disso, os contatos podem detectar até mesmo as menores flutuações na corrente ou tensão. Isso torna o componente quântico topológico excepcionalmente adequado para fazer sensores e amplificadores de alta precisão com diâmetros minúsculos," explicou o professor van den Brink.

Miniaturização e menor custo

É a primeira vez que se consegue detectar e tirar proveito do efeito topológico em escala microscópica em um material semicondutor. Este fenômeno quântico havia sido demonstrado em nível macroscópico três anos atrás, mas utilizando não um material natural, mas um metamaterial artificial, que é muito difícil de miniaturizar.

Isso abre o caminho não apenas para a fabricação de novos tipos de componentes eletrônicos-quânticos de alto desempenho, mas que também podem ser incrivelmente pequenos. "Nosso componente quântico topológico mede cerca de 0,1 milímetro de diâmetro e pode ser reduzido ainda mais com facilidade," disse van den Brink. "Isso torna os componentes topológicos cada vez mais atraentes para a indústria de semicondutores. Eles eliminam a necessidade de níveis extremamente altos de pureza do material que atualmente aumenta os custos de fabricação dos eletrônicos."

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