O controlo elétrico de fenómenos quânticos poderá melhorar os futuros dispositivos eletrónicos

Investigadores da Penn State University introduziram um método inovador para controlar eletronicamente a direção do fluxo de eletrões em materiais quânticos.

A descoberta significativa é considerada uma grande promessa para o avanço dos dispositivos eletrónicos e computadores quânticos da próxima geração.

Publicada na revista Nature Materials, a investigação centra-se em materiais que exibem o efeito Hall anómalo quântico (QAH), em que os eletrões que viajam ao longo da aresta de um material não sofrem qualquer perda de energia.

"À medida que os dispositivos eletrónicos ficam mais pequenos e as exigências computacionais aumentam, é cada vez mais importante encontrar formas de melhorar a eficiência da transferência de informação, o que inclui o controlo do fluxo de eletrões", explicou Cui-Zu Chang, professor associado de Física na Penn State e coautor correspondente do estudo.

"O efeito QAH é promissor porque não há perda de energia quando os eletrões fluem ao longo das arestas dos materiais".

Uma autoestrada de eletrões

Os materiais que exibem este efeito são designados por isoladores QAH - um tipo de isolador topológico (uma fina camada de película com apenas algumas dezenas de átomos de espessura) que foram tornados magnéticos de modo a conduzirem corrente apenas nas suas extremidades. E porque os eletrões se deslocam claramente numa única direção, o efeito é designado por "sem dissipação", o que significa que não se perde energia sob a forma de calor.

"Num isolador QAH, os eletrões de um lado do material viajam numa direção, enquanto os do outro lado viajam na direção oposta, como uma autoestrada de duas faixas", disse Chang.

"O nosso trabalho anterior demonstrou como aumentar o efeito QAH, criando essencialmente uma autoestrada com várias vias para um transporte mais rápido dos eletrões.

"Neste estudo, desenvolvemos um novo método elétrico para controlar a direção de transporte da autoestrada de eletrões e proporcionar uma forma de estes eletrões fazerem uma inversão de marcha imediata".

Como o fizeram

Os investigadores fabricaram um isolador QAH com propriedades específicas e optimizadas. Descobriram que a aplicação de um impulso de corrente de cinco milissegundos ao isolador QAH tem impacto no magnetismo interno do material e faz com que os eletrões mudem de direção.

A capacidade de mudar de direção é fundamental para otimizar a transferência de informações, o armazenamento e a recuperação de informação nas tecnologias quânticas. E, ao contrário da eletrónica atual, em que os dados são armazenados num estado binário como ligado ou desligado (um ou zero), os dados quânticos podem ser armazenados simultaneamente numa série de estados possíveis.

Alterar o fluxo de eletrões é um passo importante para escrever e ler estes estados quânticos, disse Chao-Xing Liu, professor de Física na Penn State e coautor correspondente do artigo.

"Os ímanes volumosos não são práticos para pequenos dispositivos como os smartphones, e um interruptor eletrónico é normalmente muito mais rápido do que um interruptor magnético. Neste trabalho, encontrámos um método eletrónico conveniente para mudar a direção do fluxo de eletrões".

Os investigadores otimizaram previamente o isolador QAH de modo a poderem tirar partido de um mecanismo físico do sistema para controlar o seu magnetismo interno.

"Para tornar este método eficaz, precisávamos de aumentar a densidade da corrente aplicada", disse Liu.

"Ao estreitar os dispositivos isoladores QAH, o impulso de corrente resultou numa densidade de corrente muito elevada que mudou a direção da magnetização, bem como a direção da via de transporte de eletrões".

Esta mudança do controlo magnético para o controlo eletrónico em materiais quânticos, segundo os investigadores, é semelhante a uma mudança que ocorreu no armazenamento de memória tradicional.

Enquanto o armazenamento de informações em discos rígidos e disquetes originais envolvia a utilização de ímanes para criar um campo magnético e gravar dados, a "memória flash" mais recente, como a utilizada em unidades USB, discos rígidos de estado sólido e smartphones, é escrita eletronicamente. As tecnologias emergentes, como a MRAM, baseiam-se igualmente em mecanismos físicos relacionados com o magnetismo interno.

A equipa de investigação está atualmente a explorar a forma de fazer uma pausa nos eletrões durante o seu percurso - essencialmente para ligar e desligar o sistema. Estão também a tentar demonstrar o efeito QAH a temperaturas mais elevadas.

"Este efeito, bem como os requisitos atuais dos computadores quânticos e dos supercondutores, requerem temperaturas muito baixas, próximas do zero absoluto", disse Chang. "O nosso objetivo a longo prazo é reproduzir o efeito QAH a temperaturas tecnologicamente mais relevantes".