Supercondutor em camadas é persuadido a mostrar propriedades incomuns com potencial para computação quântica

CONCLUSÕES

Uma equipe liderada por pesquisadores do California NanoSystems Institute na UCLA projetou um material único baseado em um supercondutor convencional – isto é, uma substância que permite que elétrons viajem através dele com resistência zero sob certas condições, como temperatura extremamente baixa. O material experimental mostrou propriedades sinalizando seu potencial para uso em computação quântica, uma tecnologia em desenvolvimento com capacidades além daquelas dos computadores digitais clássicos.

Supercondutores convencionais geralmente falham sob campos magnéticos de uma certa força. O novo material continuou a reter propriedades supercondutoras sob um campo magnético muito mais alto do que o limite teórico de um supercondutor convencional. A equipe também mediu quão grande uma corrente elétrica o novo material pode acomodar antes de quebrar a supercondutividade, aplicando eletricidade de uma direção e depois novamente da direção oposta. Os pesquisadores descobriram que uma direção permitia uma corrente notavelmente mais alta do que a outra. Isso é frequentemente chamado de efeito do diodo supercondutor. Em contraste, os supercondutores convencionais perderiam sua propriedade de resistência zero em corrente igual de qualquer direção.

FUNDO

Os computadores quânticos operam com base nas regras contraintuitivas que governam como as partículas subatômicas interagem. A unidade básica de informação na computação quântica, o qubit, pode ter uma infinidade de valores. Enquanto isso, o bit – a unidade básica de informação na computação clássica – pode ter apenas um de dois valores.

Embora os computadores quânticos pudessem executar cálculos que os computadores tradicionais não conseguem, a tecnologia ainda está em seus primeiros dias, com obstáculos a serem superados antes de concretizar sua promessa. Um desses obstáculos é a fragilidade do qubit. Pequenas mudanças nas condições podem fazer com que os qubits percam suas propriedades quânticas, que duram apenas milionésimos de segundo.

Pesquisadores teorizaram que um tipo não convencional de supercondutor, chamado supercondutor quiral, pode ajudar a aumentar a capacidade dos qubits de manter a precisão ao executar as etapas de um programa.

Tanto os supercondutores quirais quanto os convencionais dependem de fenômenos quânticos. Pares de elétrons se tornam ligados à distância em um estado conhecido como emaranhamento, que impõe certas regras sobre as propriedades dos elétrons. Em supercondutores convencionais, para obedecer a essas regras, os elétrons emaranhados se movem em direções opostas e giram em direções opostas. Em supercondutores quirais, os elétrons emaranhados podem girar na mesma direção, e eles têm que obedecer a regras que tornam a relação entre seus movimentos extremamente complexa, potencialmente abrindo novas possibilidades para adaptar o fluxo de corrente ou processar informações.

Como resultado desse contraste, a atividade de elétrons em supercondutores convencionais exibe simetrias que são quebradas em supercondutores quirais, o que favorece o fluxo em uma direção em detrimento da outra, como visto no efeito do diodo supercondutor. Hoje, apenas alguns compostos são candidatos à supercondutividade quiral, e eles são extremamente raros. No estudo atual, os pesquisadores encontraram uma maneira de personalizar seu material para persuadir um supercondutor convencional a agir como um quiral.

MÉTODO

A equipe liderada pela UCLA criou uma rede com camadas alternadas. Uma camada feita de dissulfeto de tântalo, um supercondutor convencional, era tão fina quanto três átomos. A próxima era feita de uma camada molecular “canhota” ou “destra” de um composto diferente. Os pesquisadores testaram pequenos dispositivos em nanoescala feitos de sua rede para avaliar se o material mostrava as propriedades de um supercondutor quiral.

IMPACTO

A computação quântica pode gerar inovações como segurança cibernética inquebrável, inteligência artificial supercarregada e simulações de alta fidelidade de fenômenos, desde a ação de medicamentos no corpo até o fluxo do tráfego da cidade e as flutuações dos mercados financeiros. Para chegar a essas aplicações, os computadores quânticos precisarão dar saltos em sua capacidade de funcionar, apesar de potenciais perturbações em qubits frágeis. Os circuitos supercondutores são fundamentais para muitas abordagens de computação quântica, e espera-se que o efeito do diodo supercondutor alcançado por supercondutores quirais seja útil para criar qubits mais eficientes e estáveis.

Além de sua utilidade para a computação quântica, o efeito do diodo supercondutor dos supercondutores quirais poderia fazer com que a eletrônica convencional e as tecnologias de comunicação operassem muito mais rápido, minimizando o consumo de energia. Essas qualidades são particularmente adequadas para aplicações especializadas, como computadores trabalhando em temperaturas extremamente baixas no espaço profundo.

Como os supercondutores quirais são tão difíceis de encontrar, projetá-los a partir de ingredientes mais facilmente disponíveis — como no novo material híbrido relatado neste estudo — pode ajudar a desbloquear o potencial da computação quântica e, ao mesmo tempo, impulsionar melhorias em dispositivos eletrônicos.

Os autores correspondentes do estudo são os membros do CNSI Yu Huang, Traugott e Dorothea Frederking, Professor Dotado e presidente do departamento de ciência e engenharia de materiais na Escola de Engenharia Samueli da UCLA; Kang Wang, Professor de Engenharia Elétrica da Raytheon Company e um distinto professor de engenharia elétrica e de computação e de ciência e engenharia de materiais na UCLA Samueli; e Xiangfeng Duan, professor de química e bioquímica no UCLA College. Os primeiros coautores do estudo são Zhong Wan, um pesquisador de pós-doutorado da UCLA, e Gang Qiu, um ex-pesquisador de pós-doutorado da UCLA agora no corpo docente da Universidade de Minnesota. Outros coautores são Huaying Ren, Qi Qian, Yaochen Li, Dong Xu, Jingyuan Zhou, Jingxuan Zhou, Boxuan Zhou, Laiyuan Wang e Ting-Hsun Yang, todos da UCLA; e Zdenek Sofer da Universidade de Química e Tecnologia, Praga.

DIVULGAÇÕES

Não há divulgações associadas a esta pesquisa.

DIÁRIO

O estudo foi publicado na revista Nature.