Cientistas fundem dois materiais ‘impossíveis’ em nova estrutura artificial

O trabalho pode abrir caminho para novos materiais quânticos necessários para computação avançada

Por Universidade Rutgers com informações de Science Daily.

Uma equipe internacional liderada por pesquisadores da Universidade Rutgers-New Brunswick fundiu dois materiais sintetizados em laboratório em uma estrutura quântica sintética que antes era considerada impossível de existir e produziu uma estrutura exótica que deve fornecer insights que podem levar a novos materiais no centro da computação quântica.

O trabalho, descrito em uma matéria de capa no periódico Nano Letters , explica como quatro anos de experimentação contínua levaram a um novo método para projetar e construir um sanduíche único e minúsculo composto de camadas atômicas distintas. Uma fatia da estrutura microscópica é feita de titanato de disprósio, um composto inorgânico usado em reatores nucleares para capturar materiais radioativos e conter partículas monopolares magnéticas elusivas, enquanto a outra é composta de iridato de pirocloro, um novo semimetal magnético usado principalmente na pesquisa experimental de hoje devido às suas propriedades eletrônicas, topológicas e magnéticas distintas.

Individualmente, ambos os materiais são frequentemente considerados materiais “impossíveis” devido às suas propriedades únicas que desafiam a compreensão convencional da física quântica.

A construção da exótica estrutura sanduíche prepara o cenário para explorações científicas no que é chamado de interface, a área onde os materiais se encontram, na escala atômica.

“Este trabalho fornece uma nova maneira de projetar materiais quânticos bidimensionais artificiais inteiramente novos, com o potencial de impulsionar tecnologias quânticas e fornecer insights mais profundos sobre suas propriedades fundamentais de maneiras que antes eram impossíveis”, disse Jak Chakhalian, professor titular de Física Experimental Claud Lovelace no Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências Rutgers e pesquisador principal do estudo.

Chakhalian e sua equipe estão explorando um reino que segue as leis da teoria quântica, um ramo da física que descreve o comportamento da matéria e da energia nos níveis atômico e subatômico. Central para a mecânica quântica é o conceito de dualidade onda-partícula, onde objetos quânticos podem possuir propriedades semelhantes a ondas e partículas — um princípio fundamental por trás de tecnologias como lasers, ressonância magnética (MRI) e transistores.

Chakhalian elogiou muito os esforços de três alunos da Rutgers que fizeram grandes contribuições para a pesquisa: Michael Terilli e Tsung-Chi Wu, ambos alunos de doutorado, e Dorothy Doughty, que se formou em 2024 e trabalhou no estudo como graduanda. Além disso, Mikhail Kareev, que é um cientista de materiais trabalhando com Chakhalian, fez uma contribuição principal para o novo método de síntese, assim como Fangdi Wen, um aluno de doutorado que se formou recentemente no Departamento de Física e Astronomia.

Chakhalian disse que criar o sanduíche quântico exclusivo foi tão desafiador tecnicamente que a equipe teve que construir um novo dispositivo para realizar o feito.

O instrumento, chamado Q-DiP, abreviação de quantum phenomena discovery platform, foi concluído em 2023. O Q-DiP incorpora um aquecedor de laser infravermelho com outro laser que permite a construção de materiais em um nível atômico, camada por camada. A combinação permite que os cientistas explorem as propriedades quânticas mais intrincadas dos materiais até temperaturas ultrafrias próximas ao zero absoluto.

“Até onde sabemos, esta sonda é única nos EUA e representa um avanço instrumental”, disse Chakhalian.

A metade do sanduíche experimental que é titanato de disprósio, também conhecido como gelo de spin, possui qualidades especiais. Pequenos ímãs dentro, chamados spins, são dispostos de uma forma que se parece exatamente com o padrão do gelo de água. A estrutura única dos pequenos ímãs no gelo de spin permite que eles surjam como partículas especiais chamadas monopolos magnéticos.

Um monopolo magnético é uma partícula que age como um ímã, mas com apenas um polo — norte ou sul, mas não ambos. Este objeto, previsto em 1931 pelo ganhador do prêmio Nobel Paul Dirac, não existe em forma livre no universo e, ainda assim, dentro do gelo de spin, ele emerge como resultado das interações mecânicas quânticas dentro do material.

Do outro lado do sanduíche, o iridato de pirocloro semimetal também é considerado exótico porque contém pequenas partículas relativísticas chamadas férmions de Weyl. Novamente, surpreendentemente, embora previstas por Hermann Weyl em 1929, essas partículas exóticas, descobertas em 2015 em cristais, movem-se como a luz e podem girar de diferentes maneiras — para a esquerda ou para a direita. Suas propriedades eletrônicas são muito fortes e resistem a certos tipos de perturbações ou impurezas, tornando-as muito estáveis ​​quando operadas como parte de dispositivos eletrônicos. Como resultado, o iridato de pirocloro pode conduzir eletricidade muito bem, responder de maneiras incomuns a campos magnéticos e mostrar efeitos especiais quando exposto a campos eletromagnéticos.

Chakhalian disse que as propriedades combinadas do novo material criado o tornam um candidato promissor para uso em tecnologias avançadas, incluindo computação quântica e especialmente para sensores quânticos de próxima geração.

“Este estudo é um grande passo à frente na síntese de materiais e pode impactar significativamente a maneira como criamos sensores quânticos e avançamos dispositivos spintrônicos”, disse ele.

A computação quântica emprega os princípios da mecânica quântica para processar informações. Os computadores quânticos usam bits quânticos ou qubits que existem em vários estados simultaneamente devido a um princípio físico quântico chamado superposição. Isso permite que computações complexas sejam realizadas de forma muito mais eficiente do que por computadores clássicos.

As propriedades eletrônicas e magnéticas específicas do material desenvolvido pelos pesquisadores podem ajudar a criar estados quânticos muito incomuns e ainda assim estáveis, que são essenciais para a computação quântica.

Quando a tecnologia quântica se tornar prática, ela impactará significativamente a vida cotidiana ao revolucionar a descoberta de medicamentos e a pesquisa médica, melhorando significativamente as operações, a previsibilidade e a economia de custos em finanças, logística e manufatura. Também é esperado que revolucione os algoritmos de aprendizado de máquina, tornando os sistemas de inteligência artificial mais poderosos, disseram os cientistas.

Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Rutgers University . Original escrito por Kitta MacPherson. Nota: O conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e ao comprimento.

Referência do periódico :
Mikhail Kareev, Xiaoran Liu, Michael Terilli, Fangdi Wen, Tsung-Chi Wu, Dorothy Doughty, Hongze Li, Jianshi Zhou, Qinghua Zhang, Lin Gu, Jak Chakhalian. Epitaxial Stabilization of a Pyrochlore Interface between Weyl Semimetal and Spin Ice. Nano Letters, 2025; 25 (3): 966 DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03969