Para executar computações quânticas, bits quânticos (qubits) precisam ser resfriados a temperaturas na faixa de milikelvin (próximo a -273 graus Celsius ) para reduzir o movimento atômico e minimizar o ruído. No entanto, a eletrônica usada para controlar esses circuitos quânticos gera calor, que é desafiador de dissipar em temperaturas tão baixas. Consequentemente, a maioria das tecnologias atuais deve separar os circuitos quânticos de seus componentes eletrônicos, resultando em ruído e ineficiências que impedem o desenvolvimento de sistemas quânticos maiores além do laboratório.

Pesquisadores em Laboratório de Eletrônica e Estruturas em Nanoescala (LANES) da EPFLliderados por Andras Kis, na Escola de Engenharia, fabricaram um dispositivo que não apenas opera em temperaturas extremamente baixas, mas o faz com eficiência comparável às tecnologias atuais em temperatura ambiente.

“Somos os primeiros a criar um dispositivo que corresponde à eficiência de conversão das tecnologias atuais, mas que opera em campos magnéticos baixos e temperaturas ultrabaixas necessárias para sistemas quânticos. Este trabalho é realmente um passo à frente”, diz o aluno de doutorado da LANES, Gabriele Pasquale.

O dispositivo inovador combina a excelente condutividade elétrica do grafeno com as propriedades semicondutoras do seleneto de índio. Com apenas alguns átomos de espessura, ele se comporta como um objeto bidimensional, e essa nova combinação de materiais e estrutura produz seu desempenho sem precedentes. A conquista foi publicada na Nature Nanotechnology.

Aproveitando o efeito Nernst

O dispositivo explora o efeito Nernst: um fenômeno termoelétrico complexo que gera uma voltagem elétrica quando um campo magnético é aplicado perpendicularmente a um objeto com temperatura variável. A natureza bidimensional do dispositivo do laboratório permite que a eficiência desse mecanismo seja controlada eletricamente.

A estrutura 2D foi fabricada no EPFL Center for MicroNanoTechnology e no laboratório LANES. Os experimentos envolveram o uso de um laser como fonte de calor e um refrigerador de diluição especializado para atingir 100 milikelvin – uma temperatura ainda mais fria que o espaço sideral. Converter calor em voltagem em temperaturas tão baixas é geralmente extremamente desafiador, mas o novo dispositivo e seu aproveitamento do efeito Nernst tornam isso possível, preenchendo uma lacuna crítica na tecnologia quântica.

“Se você pensar em um laptop em um escritório frio, o laptop ainda vai esquentar enquanto opera, fazendo com que a temperatura do ambiente também aumente. Em sistemas de computação quântica, atualmente não há mecanismo para evitar que esse calor perturbe os qubits. Nosso dispositivo poderia fornecer esse resfriamento necessário”, diz Pasquale.

Físico por formação, Pasquale enfatiza que esta pesquisa é significativa porque lança luz sobre a conversão de energia termoelétrica em baixas temperaturas – um fenômeno pouco explorado até agora. Dada a alta eficiência de conversão e o uso de componentes eletrônicos potencialmente fabricáveis, a equipe LANES também acredita que seu dispositivo já poderia ser integrado em circuitos quânticos de baixa temperatura existentes.

“Essas descobertas representam um grande avanço na nanotecnologia e prometem desenvolver tecnologias avançadas de resfriamento essenciais para a computação quântica em temperaturas de milikelvin”, diz Pasquale. “Acreditamos que essa conquista pode revolucionar os sistemas de resfriamento para tecnologias futuras.”

Referência: “Efeito Nernst gigante eletricamente ajustável em heteroestruturas de van der Waals bidimensionais” por Gabriele Pasquale, Zhe Sun, Guilherme Migliato Marega, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi e Andras Kis, 2 de julho de 2024, Natureza Nanotecnologia.
DOI: 10.1038/s41565-024-01717-y