Resumo interno:
- Skyrmions, estruturas magnéticas estáveis com configurações de spin altamente blindadas, podem ser usadas para criar dispositivos funcionais em microeletrônica, spintrônica e computação quântica.
- A pesquisa mostrou que os skyrmions podem resistir ao ruído, reter suas propriedades topológicas e até mesmo decair o emaranhado quântico, o que pode levar a sistemas de informação quântica estáveis.
- Skyrmions são mais poderosos que a computação quântica, com sua configuração de spin fornecendo uma alternativa com eficiência energética aos sistemas baseados em carga em spintrônica.
- Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley criaram com sucesso imagens 3D de skyrmions, fornecendo novos insights sobre sua estrutura, o que pode melhorar suas aplicações em dispositivos spintrônicos e computadores quânticos.
Skyrmions magnéticos, estruturas magnéticas rodopiantes em nanoescala, estão atraindo atenção nas áreas de microeletrônica, spintrônica e computação quântica. Com uma configuração de spin topologicamente protegida, os skyrmions são estáveis, estáveis e apresentam oportunidades únicas para a criação de dispositivos de alto desempenho. Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia fizeram progressos na revelação de skyrmions através de imagens 3D bem-sucedidas. A compreensão começa com a visualização, e este novo desenvolvimento de imagens, combinado com os mais recentes conhecimentos em computação quântica e spintrónica, poderá levar a novas aplicações em ambos os campos.
Escudos Topológicos de Skyrmions: Uma Irmandade Contra o Ruído Quântico
No campo em constante expansão da tecnologia quântica, um dos maiores obstáculos ao progresso é o ruído – uma questão omnipresente que pode perturbar a informação quântica e tornar inúteis cálculos complexos. À medida que os pesquisadores se esforçam para desenvolver qubits confiáveis, a necessidade de uma solução que possa suportar ambientes ruidosos tornou-se fundamental. Skyrmions, pequenos redemoinhos magnéticos com configurações de spin altamente blindadas, surgiram como uma alternativa promissora aos qubits amplamente utilizados em sistemas quânticos.
Uma pesquisa liderada por pesquisadores da Universidade de Witwatersrand e da Universidade de Huzhou mostrou que os skyrmions quânticos exibem uma resistência única ao ruído, uma característica fundamental no processamento de informações quânticas. Enquanto os estados quânticos comuns, como aqueles que dependem do emaranhamento, se degradam na presença de ruído, os skyrmions quânticos mantêm suas propriedades topológicas mesmo com o decaimento do emaranhamento. Essa rigidez topológica pode ter implicações para sistemas de computação e comunicação quântica estáveis, especialmente em ambientes do mundo real cheios de ruído isotrópico – como flutuações de temperatura, perdas de fótons e luz dispersa.
Esta rejeição do ruído ocorre porque a topologia dos skyrmions quânticos, definida por um mapeamento não local entre graus de liberdade espaciais e polarização, permanece constante sob deformação suave induzida por ruído. Enquanto persistir um certo grau de aderência, as propriedades topológicas do skyrmion permanecem as mesmas. O estudo destaca que a codificação de informações quânticas baseada em skyrmion pode fornecer uma alternativa às técnicas convencionais de correção de erros quânticos, digitalizando informações quânticas usando observações topológicas transparentes. Como o sinal digital clássico é mais resistente ao ruído do que o seu equivalente analógico, os skyrmions quânticos oferecem a mesma robustez da informação quântica.
Dois Skyrmions – um para Spintrônica e outro para dispositivos quânticos
Na crescente procura por dispositivos mais rápidos e energeticamente mais eficientes, a microeletrónica tradicional está a aproximar-se rapidamente dos seus limites físicos. A tecnologia atual para armazenamento e processamento de dados depende da carga dos elétrons, o que naturalmente leva à perda de energia e à geração de calor. À medida que esta ineficiência aumenta, há uma pressão por alternativas, particularmente na spintrónica, onde as estruturas magnéticas substituem a carga eléctrica para armazenar e utilizar informação.
Estruturas magnéticas rotativas em nanoescala chamadas skyrmions também podem ter um caso de uso no armazenamento e processamento de dados. Seu pequeno tamanho, estabilidade topológica e estruturas de circuito exclusivas os tornam candidatos ideais para a criação de memória e dispositivos lógicos que não são apenas eficientes em termos de energia, mas também vulneráveis. Ao contrário dos sistemas convencionais que dependem de carga elétrica, os skyrmions podem usar uma configuração de spin para armazenar dados, reduzindo bastante o consumo de energia e a geração de calor no processo de aquecimento.
O potencial dos skyrmions para desenvolver dispositivos spintrônicos foi destacado em estudo realizado pelo Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, analisando sua estabilidade em nanodiscos magnéticos. Os pesquisadores descobriram que os skyrmions, mesmo em formas complexas como os skyrmioniums (uma combinação de dois skyrmions), apresentam estabilidade à temperatura ambiente sob certas condições. A capacidade de controlar esta configuração por meio de ondas magnéticas ou acústicas também sugere a possibilidade de criação de dispositivos eficientes e flexíveis.
Conforme observado no estudo, o poder dos skyrmions vai além dos aplicativos de computador antigos. Sua estabilidade topológica e robustez à temperatura ambiente os tornam candidatos atraentes para a computação quântica. Isso pode contornar a necessidade de protocolos complexos de correção de erros quânticos, já que a estabilidade inerente dos skyrmions pode fornecer uma maneira mais confiável de armazenar e processar informações quânticas.
Compreendendo as profundezas ocultas de Skyrmions
Embora o potencial dos skyrmions exista, para ver como eles podem ser usados em aplicações, os pesquisadores precisam de uma compreensão detalhada de sua estrutura 3D. A equipe de Peter Fischer no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley está fazendo exatamente isso. Usando laminografia de raios X (que exigiu uma viagem especial à linha de microscopia na Swiss Light Source), eles criaram imagens 3D detalhadas dos skyrmions, permitindo aos pesquisadores compreender melhor suas propriedades de spin em tudo, não apenas em 2D.
É necessária uma abordagem de visualização 3D, uma vez que os skyrmions precisam ser estudados no espaço tridimensional em que estão contidos em dispositivos do mundo real, como pastilhas de silício. Descrições teóricas anteriores de skyrmions os tratavam como objetos 2D, mas o trabalho de Fischer mostra que suas propriedades 3D podem abrir novas possibilidades de manipulação e uso em dispositivos spintrônicos. Ao examinar todo o skyrmion, a equipe de Fischer espera fornecer uma base para a metrologia em nanoescala, que pode levar à criação de dispositivos spintrônicos com maior funcionalidade, bem como ao uso em computadores quânticos.
O (futuro plausível) retorno de Skyrmion
Embora ainda haja muito a fazer antes que os skyrmions possam ser integrados na computação quântica, uma revisão da literatura sugere o seu potencial como uma parte importante da tecnologia futura. A qualidade de som, eficiência energética e durabilidade dos Skyrmions os tornam uma escolha atraente para dispositivos clássicos e quânticos. Os desenvolvimentos na metrologia em nanoescala, combinados com a capacidade de controlar opticamente a dinâmica do skyrmion, podem um dia levar a computadores quânticos e dispositivos spintrônicos baseados em skyrmion.
