Mesmo os supercomputadores mais rápidos enfrentam dificuldades com certas tarefas complexas, como descobrir novos medicamentos ou quebrar criptografia avançada. Os computadores quânticos poderiam um dia lidar com esses desafios, mas dependem de materiais raros conhecidos como supercondutores topológicos, que são extremamente difíceis de criar e controlar.
Pesquisadores da Escola de Engenharia Molecular Pritzker da Universidade de Chicago (UChicago PME) e da Universidade da Virgínia Ocidental demonstraram agora uma forma prática de tornar esses materiais mais acessíveis. Ao ajustar ligeiramente uma fórmula química, conseguiram alterar a interação de grandes quantidades de elétrons dentro do material, guiando-o para um estado supercondutor topológico.
A equipe concentraram-se em filmes ultra finos feitos de dois elementos, telúrio e selênio. Ao mudar cuidadosamente a proporção desses elementos, descobriram que poderiam levar o material de uma fase quântica para outra, incluindo a desejada fase de supercondutor topológico.
Os resultados, publicados na Nature Communications, mostram que modificar a proporção de telúrio para selênio altera a força de interação entre os elétrons. Essas correlações eletrônicas atuam como um mecanismo de ajuste fino, permitindo aos cientistas projetar estados quânticos incomuns de forma deliberada.
“Podemos ajustar esse efeito de correlação como um botão,” disse Haoran Lin, aluno de pós-graduação da UChicago PME e autor principal do novo trabalho. “Se as correlações forem muito fortes, os elétrons ficam presos no lugar. Se forem muito fracas, o material perde suas propriedades topológicas especiais. Mas no nível certo, você obtém um supercondutor topológico.”
“Isso abre uma nova direção para a pesquisa em materiais quânticos,” disse Shuolong Yang, Professor Assistente de Engenharia Molecular e autor sênior do novo trabalho. “Desenvolvemos uma ferramenta poderosa para projetar os tipos de materiais que os computadores quânticos de próxima geração precisarão.”
Selênio de Telureto de Ferro e Efeitos Quânticos Competitivos
O material no centro do estudo, selênio de telureto de ferro, foi descoberto relativamente recentemente e é conhecido por combinar supercondutividade com comportamento topológico incomum.
“Este é um material único porque reúne todos os ingredientes essenciais que se esperaria em uma plataforma para supercondutividade topológica: a supercondutividade em si, forte acoplamento spin-órbita e correlações eletrônicas pronunciadas,” disse Subhasish Mandal, professor assistente de física da Universidade da Virgínia Ocidental e autor do novo artigo. “Essa combinação faz dele um sistema ideal para explorar como diferentes efeitos quânticos interagem e competem.”
Anteriormente, os cientistas produziram esse material na forma de cristais em massa e observaram estados quânticos intrigantes. No entanto, cristais em massa são difíceis de manipular, e sua composição química pode variar de uma região para outra, tornando mais difícil alcançar resultados consistentes.
Filmes Finos para Dispositivos Quânticos Estáveis
Os supercondutores topológicos são especialmente atraentes para tecnologias quânticas porque seus estados topológicos são naturalmente estáveis e menos vulneráveis ao ruído que atrapalha a maioria dos sistemas quânticos.
Os filmes ultra finos desenvolvidos pelo grupo de Yang oferecem várias vantagens em relação a outros candidatos a supercondutores topológicos. Eles operam a temperaturas de até 13 Kelvin, comparados a cerca de 1 Kelvin para plataformas à base de alumínio. Essa temperatura de operação mais alta torna mais fácil resfriá-los usando sistemas padrão de hélio líquido. Além disso, os filmes finos oferecem maior uniformidade e são mais compatíveis com técnicas modernas de fabricação de dispositivos do que cristais em massa.
“Se você está tentando usar esse material para uma aplicação real, precisa ser capaz de crescentes em um filme fino em vez de tentar esfoliar camadas de uma rocha que pode não ter uma composição consistente em toda a sua extensão,” explicou Lin.
Várias equipes de pesquisa já estão trabalhando com o grupo de Yang para padronizar esses filmes e construir protótipos de dispositivos quânticos. Ao mesmo tempo, os pesquisadores continuam investigando outras características do selênio de telureto de ferro em filme fino para entender melhor seu potencial para a computação quântica de próxima geração.
