Grande parte da tecnologia quântica enfrenta um obstáculo que vai muito além da complexidade de seus cálculos: o frio. Muitos sistemas precisam operar em temperaturas próximas do zero absoluto, exigindo equipamentos caros e difíceis de manter. Agora, físicos desenvolveram um material extremamente fino que consegue realizar uma tarefa quântica sofisticada em temperatura ambiente. E sua estrutura começa com algo aparentemente simples: uma pequena camada de ouro.
O grande problema da tecnologia quântica pode estar na temperatura
Computadores quânticos, sistemas de comunicação e sensores ultrassensíveis prometem transformar diferentes setores nas próximas décadas. Mas levar essas tecnologias para fora dos laboratórios continua sendo um desafio.
Um dos motivos está na necessidade de controlar fenômenos extremamente delicados.
Em muitos sistemas quânticos, o aumento da temperatura faz com que os átomos vibrem com maior intensidade. Essas perturbações podem interferir nos estados quânticos que os pesquisadores precisam preservar e manipular.
Por isso, diversas plataformas dependem de sistemas criogênicos capazes de trabalhar em temperaturas extremamente baixas, algumas muito próximas do zero absoluto.
Essa necessidade adiciona custos, aumenta a complexidade das instalações e dificulta a criação de equipamentos quânticos menores e mais acessíveis.
Pesquisadores da Universidade Estadual da Louisiana, nos Estados Unidos, desenvolveram uma alternativa que pode ajudar a contornar parte desse problema.
O resultado é um material chamado de metacristal, uma estrutura extremamente fina baseada em ouro que consegue manipular diferentes estados quânticos da luz sem precisar operar sob refrigeração criogênica.
O cristal de ouro funciona como uma espécie de filtro quântico
O material foi desenvolvido pela equipe liderada pelo professor associado de física Omar S. Magaña-Loaiza.
Na prática, o metacristal consegue distinguir diferentes estados quânticos da luz e direcioná-los por caminhos específicos.
É como se funcionasse como um sistema de classificação extremamente sofisticado. A diferença é que ele não separa a luz simplesmente por características convencionais, como intensidade ou cor.
O dispositivo consegue identificar diferenças muito mais sutis associadas aos estados quânticos.
Depois de reconhecê-los, pode encaminhá-los através de rotas distintas dentro da estrutura, preservando características importantes da informação transportada.
Isso é particularmente relevante porque qualquer tecnologia baseada em informação quântica depende da capacidade de manipular estados sem destruí-los durante o processo.
Segundo os pesquisadores, determinados estados conseguem atravessar o metacristal sofrendo alterações mínimas em suas estatísticas.
E existe uma característica especialmente importante: todo esse processo pode ocorrer em temperatura ambiente.
Centenas de pequenas estruturas transformam o metal
Apesar do nome sofisticado, a construção do metacristal começa com uma estrutura relativamente simples.
Os pesquisadores depositaram uma camada extremamente fina de ouro sobre um chip de vidro. Em seguida, utilizaram feixes de íons focalizados para produzir centenas de pequenas ranhuras no metal.
Essas estruturas microscópicas desempenham um papel fundamental.
Cada uma funciona de maneira semelhante a um átomo artificial, permitindo controlar como o material interage com a luz.
A disposição das ranhuras não é aleatória. Ao modificar a geometria e a organização dessas estruturas, os cientistas conseguem projetar determinadas propriedades do material.
É justamente essa possibilidade que torna a descoberta mais interessante do que um único dispositivo experimental.
Para Magaña-Loaiza, o trabalho não representa apenas a criação de um novo material. Ele também demonstra uma estratégia de projeto que pode permitir o desenvolvimento de toda uma família de materiais quânticos com propriedades específicas.
Os pesquisadores classificaram a estrutura como um metacristal plasmônico estatístico quântico, conceito que combina propriedades ópticas, plasmônicas e quânticas dentro de uma mesma plataforma.
O objetivo é levar fenômenos quânticos para aplicações mais práticas
A capacidade de manipular estados quânticos em condições ambientais mais simples poderia ter consequências importantes.
Uma das possibilidades está na computação quântica, especialmente em tecnologias que utilizam fótons para transportar ou processar informação.
Outra aplicação aparece nas redes de comunicação quântica. Esses sistemas dependem de uma manipulação extremamente precisa da luz e podem ser utilizados no desenvolvimento de métodos de transmissão com níveis elevados de segurança.
Sensores avançados também estão entre as possibilidades.
A física quântica permite detectar variações extremamente pequenas em determinadas grandezas, algo potencialmente útil em áreas que vão da medicina à navegação e à pesquisa científica.
O diferencial do novo metacristal está justamente na tentativa de realizar algumas dessas operações sem depender de grandes sistemas criogênicos.
Isso não significa que o material elimine de uma vez a necessidade de refrigeração de toda a computação quântica. Diferentes arquiteturas utilizam fenômenos e componentes distintos, muitos dos quais continuam exigindo temperaturas extremamente baixas.
Mas conseguir realizar determinadas tarefas quânticas em temperatura ambiente pode simplificar partes importantes desses sistemas.
O próximo teste pode acontecer dentro de células solares
Talvez uma das aplicações mais inesperadas da pesquisa esteja fora dos computadores quânticos.
Os cientistas querem investigar se o metacristal também pode melhorar tecnologias relacionadas à geração de energia.
Um dos próximos passos será incorporar a estrutura em células solares para analisar se suas propriedades conseguem aumentar a quantidade de luz convertida em eletricidade.
A ideia é explorar a maneira particular como o material controla e direciona a luz.
Caso os experimentos mostrem ganhos significativos, a descoberta poderia aproximar dois campos tecnológicos que normalmente parecem separados: engenharia quântica e energia renovável.
Ainda será necessário realizar novos testes para determinar até onde as propriedades observadas no laboratório podem ser transformadas em dispositivos comerciais.
Mesmo assim, a pesquisa aponta para uma direção particularmente atraente: em vez de construir ambientes cada vez mais extremos para preservar fenômenos quânticos, talvez seja possível projetar materiais capazes de fazê-los sobreviver em condições muito mais comuns.
E, se essa estratégia avançar, uma camada microscópica de ouro cuidadosamente esculpida poderá ajudar a tornar algumas tecnologias quânticas muito menos dependentes do frio extremo.
[Fonte: cadena 3]
