Isoladores topológicos, capazes de transmitir eletricidade sem perdas, podem funcionar em dimensões fracionárias como 1,58. Esse avanço, combinado com operabilidade em temperatura ambiente, abre caminho para avanços em computação quântica e eficiência energética por meio de estruturas fractais.

E se pudéssemos encontrar uma maneira de fazer as correntes elétricas fluírem, sem perda de energia? Uma abordagem promissora para isso envolve o uso de materiais conhecidos como isolantes topológicos. Eles são conhecidos por existirem em uma (fio), duas (folha) e três (cubo) dimensões; todos com diferentes aplicações possíveis em dispositivos eletrônicos. Físicos teóricos da Universidade de Utrecht, juntamente com experimentalistas da Universidade Jiao Tong de Xangai, descobriram que isolantes topológicos também podem existir em 1,58 dimensões, e que estes poderiam ser usados ​​para processamento de informações com eficiência energética. Seu estudo foi publicado recentemente na Nature Physics .

Bits clássicos, as unidades de operação do computador, são baseadas em correntes elétricas: elétrons correndo significa 1, nenhum elétron correndo significa 0. Com uma combinação de 0s e 1s, pode-se construir todos os dispositivos que você usa em sua vida diária, de celulares a computadores. No entanto, enquanto correm, esses elétrons encontram defeitos e impurezas no material e perdem energia. Isso é o que acontece quando seu dispositivo esquenta: a energia é convertida em calor e, portanto, sua bateria é drenada mais rápido.

Um Novo Estado da Matéria

Os isolantes topológicos são materiais especiais que permitem o fluxo de uma corrente sem perda de energia. Eles só foram descobertos em 1980, e sua descoberta foi premiada com um Prêmio Nobel. Revelou um novo estado da matéria: por dentro, os isolantes topológicos são isolantes, enquanto em suas fronteiras, há correntes correndo. Isso os torna muito adequados para aplicação em tecnologias quânticas e pode reduzir enormemente o consumo mundial de energia. Havia apenas um problema: essas propriedades foram descobertas apenas na presença de campos magnéticos muito fortes e temperaturas muito baixas, em torno de menos 270 graus Celsius , o que os tornava inadequados para uso na vida diária.

Nas últimas décadas, houve um progresso significativo para superar essas limitações. Em 2017, pesquisadores descobriram que uma camada bidimensional de bismuto com espessura de um único átomo exibia todas as propriedades corretas em temperatura ambiente, sem a presença de um campo magnético. Esse avanço trouxe o uso de isolantes topológicos em dispositivos eletrônicos para mais perto da realidade.

Explorando dimensões fractais na tecnologia quântica

O campo de pesquisa recebeu um impulso extra em 2022 com uma bolsa Gravitation de mais de 20 milhões de euros para o consórcio QuMAT. Neste consórcio, físicos teóricos da Universidade de Utrecht, juntamente com experimentalistas da Universidade Jiao Tong de Xangai, mostraram agora que muitos estados sem perda de energia podem existir em algum lugar entre uma e duas dimensões. Em 1,58 dimensões, por exemplo.

Pode ser difícil imaginar dimensões 1,58, mas a ideia é mais familiar do que você pensa. Tais dimensões podem ser encontradas em estruturas fractais, como seus pulmões, a rede de neurônios em seu cérebro ou brócolis Romanesco. Elas são estruturas que escalam de uma maneira diferente de objetos normais, chamadas de “estruturas autosimilares”: se você aumentar o zoom, verá a mesma estrutura repetidamente.

Inovando na Borda: Estados Topológicos Fractais

Ao cultivar um elemento químico (bismuto) sobre um semicondutor (antimoneto de índio), os cientistas na China obtiveram estruturas fractais que foram formadas espontaneamente, ao variar as condições de crescimento. Os cientistas em Utrecht então mostraram teoricamente que, dessas estruturas, modos de canto de dimensão zero e estados de borda unidimensionais sem perdas emergiram.

“Ao olhar entre dimensões, encontramos o melhor dos dois mundos”, diz Cristiane Morais Smith, que lidera a pesquisa teórica na Universidade de Utrecht. “Os fractais se comportam como isolantes topológicos bidimensionais em energias finitas e, ao mesmo tempo, exibem, em energia zero, um estado em seus cantos que poderia ser usado como um qubit, os blocos de construção dos computadores quânticos. Portanto, a descoberta abre novos caminhos para os tão desejados qubits.”

O poder da intuição na descoberta científica

Curiosamente, a descoberta foi o resultado de um pressentimento. “Quando visitei a Shanghai Jiao Tong University e vi as estruturas produzidas pelo grupo, fiquei muito animado”, diz Morais Smith. “Minha intuição estava me dizendo que as estruturas deveriam exibir todas as propriedades corretas.”

Ela então voltou para Utrecht e discutiu o problema com seus alunos, que estavam muito interessados ​​em fazer os cálculos. Junto com o aluno de mestrado Robert Canyellas, seu ex-candidato a PhD Rodrigo Arouca (agora na Universidade de Uppsala) e o atual candidato a PhD Lumen Eek, a equipe teórica conseguiu explicar os experimentos e confirmar as novas propriedades.

Dimensões desconhecidas

Em pesquisa de acompanhamento, o grupo experimental na China tentará desenvolver um supercondutor em cima da estrutura fractal. Esses fractais têm muitos buracos, e há correntes sem perdas correndo ao redor de muitos deles. Elas poderiam ser usadas para processamento de informações com eficiência energética.

As estruturas também exibem modos de energia zero em seus cantos, combinando assim o melhor dos mundos unidimensionais e bidimensionais, de acordo com Morais Smith. “Se isso funcionar, pode revelar segredos ainda mais inesperados escondidos na dimensão 1,58”, ela diz. “As características topológicas dos fractais realmente mostram a riqueza de entrar em dimensões não mapeadas.”

Referência: “Estados topológicos de borda e canto em nanoestruturas fractais de bismuto” por R. Canyellas, Chen Liu, R. Arouca, L. Eek, Guanyong Wang, Yin Yin, Dandan Guan, Yaoyi Li, Shiyong Wang, Hao Zheng, Canhua Liu, Jinfeng Jia e C. Morais Smith, 1 de julho de 2024, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02551-8