Mesmo os supercomputadores mais rápidos enfrentam algumas tarefas complexas, como descobrir novos medicamentos ou quebrar criptografia avançada. Os computadores quânticos poderão um dia ser capazes de resolver estes problemas, mas dependem de materiais raros conhecidos como supercondutores topológicos, que são muito difíceis de criar e controlar.
Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME) e da Universidade de West Virginia demonstraram uma maneira prática de colocar esses materiais ao seu alcance. Ajustando ligeiramente a fórmula química, eles foram capazes de mudar a forma como o grande número de elétrons interage dentro do material, levando-o a um estado supercondutor topológico.
A equipe se concentrou em filmes ultrafinos feitos de dois elementos, telúrio e selênio. Ao alterar cuidadosamente a proporção desses elementos, eles descobriram que poderiam mover o material de uma fase quântica para outra, incluindo a fase desejada de um supercondutor topológico.
Seus resultados, publicados em Comunicações da naturezamostram que alterar a proporção de telúrio para selênio altera a intensidade com que os elétrons interagem entre si. Essas correlações eletrônicas atuam como um mecanismo de ajuste fino, permitindo aos cientistas criar deliberadamente estados quânticos incomuns.
“Podemos ajustar esse efeito de correlação como um mostrador”, disse Haran Lin, estudante de pós-graduação da UChicago PME e primeiro autor do novo artigo. “Se as correlações forem muito fortes, os elétrons ficam congelados no lugar. Se forem muito fracos, o material perde suas propriedades topológicas especiais. Mas no nível certo, você obtém um supercondutor topológico.”
“Isso abre uma nova direção para a pesquisa de materiais quânticos”, disse Shuolong Yang, professor associado de engenharia molecular e autor sênior do novo artigo. “Desenvolvemos uma ferramenta poderosa para projetar os materiais que serão necessários na próxima geração de computadores quânticos”.
Seleneto de telureto de ferro e efeitos quânticos concorrentes
O material no centro do estudo, o seleneto de telureto de ferro, foi descoberto há relativamente pouco tempo e é conhecido por combinar supercondutividade com comportamento topológico incomum.
“Este é um material único porque combina todos os ingredientes-chave que se esperaria de uma plataforma para supercondutividade topológica: a própria supercondutividade, forte acoplamento spin-órbita e correlações eletrônicas pronunciadas”, disse Subhashish Mandal, professor associado de física na West Virginia University e autor do novo artigo. “Essa combinação o torna um sistema ideal para investigar como diferentes efeitos quânticos interagem e competem.”
Os cientistas já produziram este material em forma de cristal a granel e observaram estados quânticos intrigantes. No entanto, os cristais a granel são difíceis de manipular e a sua composição química pode variar de região para região, dificultando a obtenção de resultados consistentes.
Filmes finos para dispositivos quânticos estáveis
Os supercondutores topológicos são particularmente atraentes para tecnologias quânticas porque seus estados topológicos são naturalmente estáveis e menos vulneráveis ao ruído que perturba a maioria dos sistemas quânticos.
Os filmes ultrafinos desenvolvidos pelo grupo de Yang apresentam diversas vantagens sobre outros candidatos a supercondutores topológicos. Eles operam em temperaturas de até 13 Kelvin, em comparação com cerca de 1 Kelvin para plataformas à base de alumínio. Essa temperatura operacional mais alta facilita o resfriamento com sistemas padrão de hélio líquido. Além disso, os filmes finos proporcionam maior uniformidade e são mais compatíveis com as técnicas modernas de fabricação de dispositivos do que os cristais a granel.
“Se você está tentando usar este material para uma aplicação no mundo real, você precisa ser capaz de cultivá-lo em uma película fina, em vez de tentar descascar camadas de rocha que podem não ter uma composição uniforme”, explicou Lin.
Vários grupos de pesquisa já estão trabalhando com o grupo de Yang para modelar esses filmes e criar protótipos de dispositivos quânticos. Ao mesmo tempo, os pesquisadores continuam a explorar outras características do seleneto de película fina de telureto de ferro para compreender melhor seu potencial para a computação quântica de próxima geração.
