Um estado quântico teorizado há 50 anos é finalmente descoberto em laboratório
Cientistas do Departamento de Física da Universidade de Hamburgo conseguiram observar com sucesso um estado quântico que foi inicialmente previsto por teóricos japoneses há mais de 50 anos, mas que permaneceu indetectável até agora. Através da manipulação de um átomo artificial situado na superfície de um supercondutor, a equipe conseguiu emparelhar elétrons dentro do ponto quântico, criando a menor versão possível de um supercondutor. Suas descobertas foram publicadas na revista científica Nature.
Normalmente, elétrons exibem repulsão devido à sua carga negativa compartilhada. Esse fenômeno afeta significativamente várias características dos materiais, incluindo a resistência elétrica. No entanto, esse comportamento muda consideravelmente quando os elétrons são combinados em pares, transformando-os efetivamente em bósons. Ao contrário dos elétrons individuais, pares bósons não experimentam repulsão, e vários pares podem ocupar o mesmo espaço ou se envolver no mesmo movimento.
Uma das propriedades mais cativantes de materiais que abrigam esses pares de elétrons é a supercondutividade, a capacidade de permitir que uma corrente elétrica percorra o material sem encontrar qualquer resistência elétrica. A supercondutividade encontrou numerosas aplicações tecnológicas vitais ao longo dos anos, como a ressonância magnética e detectores altamente sensíveis de campos magnéticos.
Nos dias de hoje, a contínua miniaturização de dispositivos eletrônicos tem impulsionado a pesquisa sobre como a supercondutividade pode ser aproveitada em nanoestruturas na escala nanométrica.
Pesquisadores associados ao Departamento de Física e ao Cluster de Excelência “CUI: Advanced Imaging of Matter” da Universidade de Hamburgo alcançaram o emparelhamento de elétrons dentro de um átomo artificial conhecido como ponto quântico. Os pontos quânticos servem como os menores componentes fundamentais para dispositivos eletrônicos nanoestruturados.
Para realizar essa conquista, uma equipe liderada pelo PD Dr. Jens Wiebe do Instituto de Nanoestrutura e Física do Estado Sólido construiu pequenas gaiolas usando átomos de prata para confinar os elétrons. Esses elétrons cativos foram então acoplados a um supercondutor básico, herdando assim a propensão para o emparelhamento do material supercondutor.
Em colaboração com um grupo de físicos teóricos do Cluster de Excelência, supervisionado pelo Dr. Thore Posske, os pesquisadores relacionaram o sinal experimental distintivo – um pico espectroscópico em níveis de energia extremamente baixos – ao estado quântico previsto por Kazushige Machida e Fumiaki Shibata na década de 1970.
Embora esse estado tenha evitado até agora a detecção direta por meio de métodos experimentais, estudos recentes de pesquisadores na Holanda e na Dinamarca destacaram sua utilidade na supressão de ruídos indesejados nos qubits transmon – um componente fundamental dos computadores quânticos contemporâneos.
Kazushige Machida entrou em contato com o autor principal da publicação, Dr. Lucas Schneider, expressando gratidão por desvendar sua pesquisa de décadas atrás. Machida acreditava há muito tempo que impurezas não magnéticas em metais de transição eram responsáveis por gerar o estado na lacuna, mas sua proximidade com a borda da lacuna supercondutora tornava sua existência quase impossível de ser comprovada. No entanto, a metodologia inventiva empregada pelos pesquisadores finalmente verificou sua existência por meio de experimentos.
Os resultados desse estudo pioneiro abrem portas para avanços inovadores na tecnologia quântica e eletrônica em escala nanométrica. Essa conquista não apenas valida teorias antigas, mas também desbloqueia potenciais aplicações revolucionárias, desde computação quântica a dispositivos eletrônicos ultrassensíveis. A colaboração entre teoria e experimentação destaca a importância da interdisciplinaridade na busca pelo conhecimento. [Phys]
