Pesquisadores da Universidade McGill desenvolveram um novo dispositivo quântico que gera minúsculas partículas semelhantes a sons, chamadas fônons, em temperaturas logo acima do zero absoluto. A conquista poderia ajudar a preparar o caminho para os lasers de fônons, uma tecnologia com aplicações potenciais em comunicações, diagnósticos médicos e detecção avançada.
“A comunicação moderna é amplamente baseada na luz, incluindo ondas eletromagnéticas e correntes elétricas. Em ambientes como os oceanos, o som pode viajar, enquanto a luz e as correntes elétricas não”, disse Michael Hilke, professor associado de física e coautor do estudo. “No corpo humano, as ondas sonoras também podem ser uma ferramenta útil.”
O dispositivo foi desenvolvido e testado por pesquisadores da Universidade McGill e do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá, e o material usado no dispositivo foi sintetizado na Universidade de Princeton.
Quão rápido os elétrons criam som quântico
A equipe criou o dispositivo usando um cristal bidimensional que mantém os elétrons em um canal com apenas alguns átomos de largura. Quando uma corrente elétrica empurra os elétrons através desse caminho ultrafino em altas velocidades, os elétrons liberam seu excesso de energia na forma de explosões de vibrações semelhantes a sons, conhecidas como fônons.
Os investigadores descobriram que estes fônons podem ser criados em padrões previsíveis e controláveis, um passo importante em direção a dispositivos práticos que dependem da manipulação precisa do som no nível quântico.
O resfriamento revela comportamento quântico incomum
Os experimentos foram conduzidos em temperaturas de aproximadamente 10 milikelvin a 3,9 Kelvin. A estas temperaturas extremamente baixas, os eletrões comportam-se de uma forma muito mais ordenada, tornando mais fácil observar fenómenos quânticos onde a matéria se comporta como ondas em vez de partículas comuns.
“Em temperaturas de zero absoluto – isto é, no mundo da física quântica – o som não é produzido a menos que os elétrons estejam se movendo na velocidade do som ou acima dela”, explicou Hilke. “Trabalhos anteriores observaram os efeitos correspondentes quando a velocidade dos electrões se aproximava da barreira do som. A nossa investigação vai mais longe, empurrando o sistema muito além deste ponto e mostrando que as teorias existentes precisam de ser revistas, dado que os electrões podem estar muito quentes mesmo quando a temperatura do cristal hospedeiro está próxima do zero absoluto.”
Rumo a uma comunicação mais rápida e tecnologia médica
A próxima fase da pesquisa explorará a fabricação do dispositivo com outros materiais, incluindo o grafeno, o que poderia permitir que ele operasse em velocidades ainda mais altas.
Segundo Hilke, futuras versões da tecnologia poderão contribuir para sistemas de comunicação mais rápidos, ferramentas de detecção mais sensíveis, métodos melhorados de estudo de materiais biológicos e tecnologias médicas avançadas.
“Os fônons são difíceis de gerar e controlar, por isso estamos explorando novos modos. Em um nível amplo, trata-se de como a corrente elétrica e a energia são movidas e transformadas em materiais eletrônicos avançados”, disse ele.
Detalhes do estudo
As descobertas foram publicadas em Revisão de planilhas físicas no artigo intitulado “Emissão de magnetofonon ressonante por elétrons supersônicos em sistemas bidimensionais com mobilidade ultra-alta”, Michael Hilke et al.
A pesquisa foi financiada pelo Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá e pela Quebec Research Foundation – Nature and Technology.
