Dentro brevemente
- Os pesquisadores relatam um sanduíche de superredes híbridas em camadas de alta tecnologia (LHSLs) que combinam camadas de átomos cristalinos e junções moleculares, criando uma nova plataforma para materiais flexíveis para computação quântica e eletrônica.
- Os LHSLs usam forças de van der Waals para montar camadas moleculares dentro de estruturas cristalinas sem interromper as ligações atômicas, permitindo a personalização precisa de propriedades quânticas, como carga e spin.
- Este projeto poderia levar a dispositivos quânticos quânticos e abrir a possibilidade de materiais quânticos flexíveis e eficientes que suportam aplicações em computação, detecção e muito mais.
- Imagem: Estudo da natureza
Mmmm… sanduíche em escala atômica.
Uma equipe de cientistas, incluindo membros dos EUA e da China, relata que um novo método “em camadas” para a construção de materiais quânticos híbridos poderia abrir caminho para dispositivos quânticos flexíveis e poderosos. Os pesquisadores descrevem a nova invenção – chamada de superredes híbridas em camadas (LHSLs) – na seção Observações da Natureza.
A equipe escreve que os LHSLs consistem em camadas de estruturas atômicas cristalinas intercaladas com camadas moleculares automontadas. Correndo o risco de morrer de fome, você pode pensar nisso como um “sanduíche” em escala atômica coberto com fatias sólidas e estruturadas de “pão” cristalino e um “recheio” molecular heterogêneo e personalizado entre eles. Como qualquer bom sanduíche, cada camada traz seu sabor e textura únicos – por exemplo, as camadas cristalinas fornecem estabilidade e conduzem eletricidade, enquanto as camadas moleculares adicionam flexibilidade e permitem certas propriedades quânticas.
Esta combinação interessante cria um novo material poderoso e flexível, ideal para computação quântica avançada e aplicações eletrônicas.
Sólidos cristalinos nativos, como aqueles usados na eletrônica baseada em silício, são valiosos por sua estabilidade de longo alcance, mas carecem da flexibilidade necessária para diversas aplicações eletrônicas. Os sistemas moleculares sintéticos, por outro lado, oferecem flexibilidade e personalização, mas muitas vezes são muito frágeis para a eletrônica de grande escala. Ao combinar estes dois sistemas em LHSLs, os investigadores esperam aproveitar o potencial de ambos.
Como funciona: combinando cristais e moléculas
LHSLs são criados usando cristais atômicos bidimensionais, que são estruturas com camadas de átomos mantidas juntas por forças não covalentes de van der Waals (vdW) – as forças de atração fracas entre moléculas. Esse poder permite a inclusão de diversas moléculas entre as camadas do cristal sem romper as ligações atômicas, o que possibilita customizar as propriedades dos materiais em nível molecular. Ao contrário dos materiais convencionais de estado sólido, que requerem estruturas de rede uniformes, os LHSLs permitem diferentes composições químicas sem o risco de tensão ou deformação de átomos diferentes.
Cada camada no LHSL pode ser cuidadosamente selecionada com base nas propriedades desejadas, como condutividade ou magnetismo. Por exemplo, uma única camada pode ser um semicondutor, enquanto moléculas combinadas podem adicionar propriedades como magnetismo ou spin, que são importantes na computação quântica. Esta estrutura cria uma “paisagem tridimensional potencial”, uma estrutura flexível que pode ser ajustada para alcançar efeitos quânticos específicos.
Implicações para a Ciência da Informação Quântica
O impacto potencial na ciência da informação quântica pode ser visto agora. Os materiais quânticos são conhecidos por suas propriedades únicas, como supercondutividade e emaranhamento, que são importantes para tecnologias avançadas, como computadores quânticos e sensores quânticos. No entanto, a engenharia de materiais para suportar estas estruturas de uma forma estável e escalável é um grande obstáculo.
Ao combinar diferentes materiais dentro do LHSL, os pesquisadores podem criar uma plataforma onde os efeitos quânticos são aprimorados e controlados de maneiras que antes não eram possíveis. A pesquisa sugere que esta abordagem permite a criação deliberada de materiais que suportam interações quânticas, como manipulação de carga ou spin, em nível atômico. Isto poderia levar ao desenvolvimento de máquinas quânticas altamente eficientes que operam à temperatura ambiente, evitando a necessidade de sistemas de refrigeração complexos e caros.
Por exemplo, a incorporação de moléculas magnéticas em uma camada semicondutora em LHSL poderia permitir novos tipos de dispositivos que usam ímãs para controlar correntes elétricas, potencialmente úteis para computação quântica tolerante a falhas. Este design em camadas também poderia permitir a criação de máquinas quânticas com propriedades únicas, como a capacidade de suportar estados quânticos complexos em longas distâncias.
Desafios e Limitações
O estudo destaca algumas limitações do método. Um dos principais desafios é conseguir um ordenamento molecular consistente de longo alcance dentro dos LHSLs, o que é essencial para fortes efeitos quânticos. Em sistemas moleculares normais, as moléculas podem mover-se ou mudar de posição, perturbando a estrutura ordenada necessária para a compatibilidade electrónica.
Outro desafio que pode precisar ser abordado é a dificuldade de medir o arranjo molecular preciso dentro das camadas. Embora técnicas como a microscopia de varredura por tunelamento possam fornecer imagens de superfície, determinar a estrutura interna de uma camada continua sendo um desafio. Métodos avançados, como difração de raios X de cristal único ou difração de elétrons, podem ser necessários para compreender completamente o arranjo estrutural dentro desses compósitos.
Prever as propriedades desses objetos complexos também não é trivial devido às suas grandes unidades. Cada LHSL contém múltiplas camadas e arranjos moleculares, tornando os métodos computacionais convencionais inadequados. Novos modelos teóricos podem ser necessários para simular as propriedades eletrônicas desses sistemas de forma precisa e acessível. Isso adiciona uma camada adicional de dificuldade ao projeto de LHSLs com propriedades específicas e previsíveis.
Uma nova fronteira em materiais quânticos
Com essas limitações em mente, os pesquisadores veem os LHSLs como apenas o começo. Com os avanços no design e síntese molecular, eles vislumbram um futuro em que os cientistas poderão criar dezenas de sólidos artificiais concebidos para funções quânticas específicas. Esta abordagem modular pode permitir estruturas eletrônicas personalizadas e implementar estados quânticos em nível atômico, levando ao desenvolvimento de tecnologias de eficiência energética, transistores baseados em spin e dispositivos quânticos.
Outras pesquisas podem se concentrar na expansão da gama de materiais que podem ser incorporados aos LHSLs. A equipe espera que a nova química permita o uso de diferentes moléculas, melhorando as diversas funções desses materiais. Além disso, os esforços para melhorar a organização molecular dentro das camadas podem tornar os LHSLs mais estáveis, abrindo caminho para aplicações industriais.
A flexibilidade do LHSL também abre a oportunidade de criar objetos com recursos completamente novos que excedem as limitações atuais. Na eletrônica tradicional, alcançar certas propriedades geralmente envolve um pequeno conjunto de materiais, como silício ou arsenieto de gálio. Os LHSLs oferecem uma combinação quase ilimitada de moléculas e cristais, o que significa que os pesquisadores podem projetar materiais com propriedades que não existem na natureza.
Implicações mais amplas – O que isso significa para a ciência quântica?
Se for bem-sucedida, a tecnologia LHSL poderá acrescentar uma nova revolução ao campo da ciência da informação quântica. Ao facilitar a construção de dispositivos que utilizam efeitos quânticos, os LHSLs podem acelerar o desenvolvimento de computadores quânticos, sensores e outras tecnologias que dependem do controle preciso de estados quânticos. Isto pode levar a avanços não só na computação, mas também em campos como a ciência médica e os materiais, onde os efeitos quânticos podem ser usados para melhorar a descoberta de medicamentos ou criar materiais mais fortes e mais leves.
A capacidade de controlar as propriedades quânticas da matéria à temperatura ambiente pode ser um salto em frente. Atualmente, a maioria dos dispositivos quânticos requerem temperaturas muito baixas para operar, o que limita as suas aplicações práticas. Os LHSLs podem abrir novos caminhos para a tecnologia quântica, tornando-a mais acessível e reduzindo os custos operacionais associados ao controle de temperatura.
A equipe de pesquisa incluiu: Zhong Wan e Xiangfeng Duan da Universidade da Califórnia, Los Angeles; Qi Qian, da Universidade Chinesa de Hong Kong, Shenzhen; e Yu Huang, também da Universidade da Califórnia, em Los Angeles.
