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Sep 01, 2023

Nova forma de silício visa a computação quântica

Alguns dos computadores quânticos mais promissores até agora envolveram materiais e sistemas exóticos – incluindo materiais supercondutores resfriados até o zero quase absoluto e íons e átomos flutuantes mantidos em

Alguns dos computadores quânticos mais promissores até à data envolveram materiais e sistemas exóticos – incluindo materiais supercondutores arrefecidos até ao zero quase absoluto e iões e átomos flutuantes mantidos em campos elétricos e armadilhas de laser. No entanto, o silício antigo e familiar seria decididamente mais escalável e conveniente se existissem maneiras confiáveis ​​de construir qubits e circuitos quânticos tão prontamente quanto transistores convencionais e portas lógicas.

Uma nova forma de silício chamada Q-silício pode ser a solução certa, dizem seus desenvolvedores. Pesquisadores da Universidade Estadual da Carolina do Norte, que relataram o material na revista Materials Research Letters, dizem que ele possui propriedades adequadas não apenas para computação quântica, mas também para baterias de íons de lítio.

“Para enganar a Mãe Natureza é preciso superar as restrições termodinâmicas, então é preciso fazer isso muito, muito rápido.” —Jay Narayan, Universidade Estadual da Carolina do Norte

O silício geralmente apresenta-se em três formas: cristalino, em que os átomos apresentam uma estrutura bem ordenada; amorfo, onde os átomos estão situados aleatoriamente; e policristalino, onde unidades cristalinas menores são conectadas aleatoriamente. No tipo cristalino, os átomos de silício são compactados exatamente como os átomos de carbono no diamante, com quatro átomos formando os vértices de uma pirâmide.

O silício Q tem um arranjo aleatório dessas pirâmides semelhantes a diamantes que resulta em átomos mais densamente compactados e menos espaço livre. Jay Narayan, professor de ciência e engenharia de materiais na NCSU e seus colegas criaram o silício Q explodindo silício amorfo com pulsos de nanossegundos de um laser de alta potência e, em seguida, resfriando-o em um quinto de microssegundo.

Isso é rápido o suficiente para que a termodinâmica convencional não assuma a tarefa de reorganizar os átomos de volta a uma das três formas naturais do silício. “Para enganar a Mãe Natureza é preciso superar as restrições termodinâmicas, por isso é preciso fazer isso muito, muito rápido”, diz Narayan.

O silício Q, mostram os pesquisadores, revela propriedades nunca vistas no silício normal. Por um lado, é ferromagnético à temperatura ambiente. Ferromagnetismo, a propriedade pela qual os materiais ficam magnetizados quando colocados em um campo magnético externo e depois mantêm esse estado magnetizado. O ferromagnetismo é geralmente encontrado em metais como ferro e níquel e surge das propriedades gerais dos átomos em um sólido. Seus dipolos magnéticos podem ser alinhados por campos externos e então manter seu lugar quando esses campos desaparecerem. Mas se os elétrons individuais nesses materiais puderem ser isolados, os spins desses elétrons – que podem ser para cima ou para baixo ou combinações quânticas intermediárias dos dois – também poderiam ser usados ​​como um qubit, como um meio de codificar informações quânticas.

O número par de elétrons no carbono e no silício normalmente significa que todas as suas cargas existem em pares com spins opostos, que cancelam os campos magnéticos um do outro. Portanto, reter e manipular spins de elétrons individuais no silício normalmente não tem sido uma opção para engenheiros e cientistas de materiais. O ferromagnetismo requer elétrons únicos ou spins desemparelhados, diz Narayan. No entanto, “com o rápido derretimento e resfriamento, somos capazes de criar spins desemparelhados que são ferromagnéticos”, diz ele. “A ideia é que, se o silício puder ter spin desemparelhado, então você poderá armazenar informações nesse spin.”

Aproveitar o spin é um desafio, e as pessoas tentaram ler os estados de spin dos átomos de fósforo implantados no silício como um caminho para os computadores quânticos. Narayan diz que o silício Q poderia tornar mais fácil aproveitar as vantagens do spin nos átomos de silício. “Agora você pode criar computadores quânticos e todos os tipos de outras aplicações interessantes”, diz ele, “porque o silício Q é ferromagnético à temperatura ambiente”.

Além disso, quando dopado com átomos de boro, os pesquisadores relatam que o silício Q se torna supercondutor. Os supercondutores conhecidos normalmente exibem seus poderes supercondutores apenas em temperaturas muito baixas, daí o ceticismo que enfrenta qualquer relato de supercondutores à temperatura ambiente.

Os supercondutores de temperatura mais alta à pressão ambiente conhecidos até o momento tornam-se supercondutores abaixo de 130 Kelvin. Narayan e seus colegas dizem que o silício Q dopado com boro transita para supercondutor a 174 K.