Os cientistas podem agora esculpir os estados quânticos de pequenas partículas ao seu gosto – uma revolução estranha, mas alucinante, que levou a algumas invenções fascinantes. E o que há de mais recente na revolução é um dispositivo estranho cujas propriedades quânticas poderiam enfrentar os desafios mais complicados da tecnologia de comunicações.
O dispositivo, descrito em recente Cartas de revisão física papel, gera fônons – uma descrição da mecânica quântica das vibrações em um material, semelhante a como os fótons são ondas de luz quantizadas. Normalmente, os fônons existem em uma mistura caótica e emaranhada que os torna difíceis de serem previstos e controlados pelos cientistas. No entanto, a equipe projetou o dispositivo para operar em temperaturas extremamente baixas para produzir efeitos quânticos, dando aos pesquisadores um novo caminho para controlar essas partículas brincalhonas.
“Os fônons são difíceis de gerar e aproveitar de forma controlada, por isso estamos explorando novos regimes”, disse Michael Hilke, coautor do estudo e físico da Universidade McGill, no Canadá, em um comunicado. declaração. “Em um nível amplo, trata-se de como a corrente elétrica e a energia se movem e são convertidas dentro de materiais eletrônicos avançados.”
O som do quantum
Os fônons pertencem a uma categoria de fenômenos quânticos chamados quasipartículas. Este conceito refere-se a um grupo de partículas que se comportam coletivamente, de modo que faz sentido vê-las como uma entidade. De acordo com um Explicador do MITum fônon é uma “palavra chique” para uma partícula de calor, no sentido de que o calor que se espalha através de um material representa o movimento ou vibração de átomos e moléculas. As frequências mais baixas correspondem ao som, e essas vibrações devem ser um múltiplo de quantidades básicas de energia – quanta – proporcionais à frequência.
No entanto, fônons de diferentes comprimentos de onda podem se misturar e se misturar para alcançar novos comprimentos de onda, ao contrário dos fótons, que não interagem de forma alguma, tornando difícil trabalhar com os fônons. Dada a sua estreita ligação com a dissipação de calor, no entanto, os físicos têm-se esforçado por encontrar uma forma viável de os trazer para as tecnologias quânticas.
“Em alguns casos, você deseja uma condução forte dos fônons e, em alguns casos, deseja reduzir sua propagação”, explicou Gang Chen, engenheiro do MIT que não esteve envolvido no novo trabalho, no explicador do MIT. “Às vezes eles são mocinhos e às vezes são bandidos.”
Congelado para obedecer
Para superar esses desafios, os pesquisadores por trás do novo estudo levaram as coisas ao extremo. Eles resfriaram os dispositivos a temperaturas entre aproximadamente -459 e -452 graus Fahrenheit (-272 e -269 graus Celsius) – pouco acima do zero absoluto – para forçar as partículas, neste caso os elétrons, a se comportarem de maneira mais previsível.
Os elétrons foram presos dentro de um canal com uma área de apenas alguns átomos de espessura e depois colocados dentro de uma camada de cristal bidimensional. Quando uma corrente elétrica passa através do cristal, os elétrons são essencialmente conduzidos através do canal, liberando energia na forma de explosões de vibração semelhantes a sons – fônons. Mais importante ainda, estas vibrações surgiram em padrões previsíveis e ajustáveis que os investigadores puderam manipular.
“Em temperaturas de zero absoluto – isto é, no mundo da física quântica – nenhum som é criado a menos que os elétrons viajem coletivamente na velocidade do som ou acima”, disse Hilke. “Nosso estudo [shows] que as teorias existentes precisam ser reavaliadas, considerando que os elétrons podem estar muito quentes, mesmo que o cristal hospedeiro esteja próximo da temperatura do zero absoluto.”
Onde a luz vacila
Embora impressionante, o dispositivo tem um obstáculo importante e um tanto óbvio a ser superado. A partir de agora, são necessárias temperaturas extremamente baixas para que o dispositivo funcione corretamente. Escusado será dizer que estas condições não são facilmente replicáveis fora dos laboratórios de investigação. Isso é algo que a equipe reconhece e, no comunicado, Hilke observou que os pesquisadores estavam explorando se outros materiais poderiam melhorar o desempenho do dispositivo.
Ainda assim, a ideia de fônons controláveis é atraente quando se imagina a próxima geração de tecnologia, especialmente nas comunicações. Por exemplo, os sinais sonoros são mais versáteis do que as fontes baseadas em luz, como ondas eletromagnéticas e correntes elétricas em ambientes específicos, como águas profundas e até mesmo dentro do corpo humano, disse Hilke.
Portanto, o dispositivo pode ter um longo caminho a percorrer, mas se resistir aos testes de validade e praticidade, representará realmente um avanço na tecnologia de comunicações. Isso pode ser um grande “se”, mas quem sabe? A revolução quântica já trouxe alguns avanços realmente improváveis.
