Mesmo os supercomputadores mais rápidos enfrentam certas tarefas complexas, como descobrir novos medicamentos ou quebrar criptografia avançada. Os computadores quânticos poderão um dia enfrentar esses desafios, mas dependem de materiais raros chamados supercondutores topológicos, que são extremamente difíceis de fabricar e controlar.
Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME) e da Universidade de West Virginia demonstraram agora uma maneira prática de tornar esses materiais ao seu alcance. Ajustando ligeiramente a fórmula química, eles foram capazes de alterar o número de elétrons interagindo dentro do material, guiando-o para um estado supercondutor topológico.
A equipe se concentrou em filmes ultrafinos feitos de dois elementos: telúrio e selênio. Ao alterar cuidadosamente as proporções desses elementos, eles descobriram que poderiam empurrar materiais de uma fase quântica para outra, incluindo a tão procurada fase supercondutora topológica.
Seus resultados foram publicados em comunicações da naturezamostrando que alterar a proporção de telúrio para selênio altera a força das interações eletrônicas. Essas correlações eletrônicas atuam como um mecanismo de ajuste fino, permitindo aos cientistas projetar deliberadamente estados quânticos incomuns.
“Podemos ajustar este efeito de correlação como um mostrador”, disse Haoran Lin, estudante de pós-graduação em PME na Universidade de Chicago e principal autor do novo trabalho. “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 supercondutores topológicos.”
“Isso abre uma nova direção para a pesquisa de materiais quânticos”, disse Shuolong Yang, professor assistente de engenharia molecular e autor sênior do novo trabalho. “Desenvolvemos uma ferramenta poderosa para projetar os materiais necessários para a próxima geração de computadores quânticos.”
Seleneto de telureto de ferro e efeitos quânticos competitivos
O material no centro da pesquisa, o seleneto de telureto de ferro, foi descoberto recentemente e é conhecido por combinar supercondutividade com comportamento topológico incomum.
“Este é um material único porque reúne todos os ingredientes fundamentais que se esperaria de uma plataforma supercondutora topológica: a própria supercondutividade, forte acoplamento spin-órbita e correlações electrónicas claras,” disse Subhasish Mandal, professor assistente de física na Universidade de West Virginia e autor do novo artigo. “Esta combinação torna-o um efeito ideal para explorar como diferentes efeitos quânticos interagem e competem.”
Anteriormente, os cientistas produziam o material em forma de cristal a granel e observavam estados quânticos interessantes. 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 estabilização de dispositivos quânticos
Os supercondutores topológicos são particularmente atraentes para tecnologias quânticas porque seus estados topológicos são naturalmente estáveis e menos suscetíveis ao ruído que perturba a maioria dos sistemas quânticos.
O filme ultrafino desenvolvido pela equipe de Yang tem várias vantagens sobre outros candidatos a supercondutores topológicos. Elas operam em temperaturas de até 13 Kelvin, enquanto as plataformas baseadas em alumínio operam em cerca de 1 Kelvin. As temperaturas operacionais mais altas facilitam seu resfriamento usando sistemas padrão de hélio líquido. Além disso, os filmes finos oferecem melhor uniformidade e são mais adequados às técnicas modernas de fabricação de dispositivos do que os cristais a granel.
“Se você quiser usar este material para aplicações práticas, você precisa ser capaz de transformá-lo em uma película fina, em vez de tentar descascar camadas de uma rocha, que pode ter composição inconsistente”, explica Lin.
Vários grupos de pesquisa colaboraram com o grupo de Yang para padronizar esses filmes e construir protótipos de dispositivos quânticos. Enquanto isso, os pesquisadores continuam a estudar outras propriedades do seleneto de telureto de ferro de película fina para entender melhor seu potencial na computação quântica de próxima geração.
