Compósito quântico traz frágeis fenômenos quânticos para aplicações do mundo real

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/05/2023

São materiais em escala macro, mas com propriedades quânticas aproveitáveis até temperaturas muito altas.
[Imagem: Zahra Barani/Tekwam Geremew/University of California Riverside]

Compósito quântico

O termo quântico é comumente usado para se referir a materiais e dispositivos nos quais as propriedades e comportamentos podem ser explicados pelos elétrons agindo como ondas, e não como partículas.

A natureza ondulatória dos elétrons pode dar aos materiais propriedades incomuns, que são largamente exploradas em tecnologias de computador, eletrônicas e ópticas.

O termo "compósito" (ou composto), por sua vez, refere-se a misturas de diferentes materiais comuns, cujas propriedades são estudadas na escala "clássica" - e não pela física quântica. Isso envolve ver os materiais como constituídos por redes de cristais ou, no máximo, átomos comportando-se como partículas.

Agora, pesquisadores conseguiram sintetizar um híbrido dessas duas famílias, o que eles chamam de um "material compósito quântico".

A grande vantagem é que o compósito quântico dá uma robustez inédita às propriedades geradas pelos fenômenos quânticos, que tipicamente são muito frágeis. Além disso, essas propriedades são retidas à temperatura ambiente, enquanto nos materiais quânticos puros elas tipicamente só aparecem em temperatura criogênicas, perto do zero absoluto.

Materiais de onda de densidade de carga

Os compósitos quânticos consistem em pequenos cristais dos chamados materiais quânticos de onda de densidade de carga (uma propriedade que compete com a supercondutividade) incorporados em uma matriz polimérica (moléculas grandes com estruturas repetidas).

Após aquecimento ou exposição à luz, a parcela do material de onda de densidade de carga passa por uma transição de fase que leva a uma resposta elétrica incomum do compósito inteiro.

Em comparação com outros materiais que apresentam fenômenos quânticos, os compósitos quânticos apresentaram funcionalidades em uma faixa muito mais ampla de temperaturas e têm uma capacidade muito maior de armazenar eletricidade, o que lhes dá um excelente potencial de utilização prática.

Estrutura interna do compósito quântico e amostras de teste para checagem de suas propriedades.
[Imagem: Zahra Barani et al. - 10.1002/adma.202209708]

Eletrônica, armazenamento de energia e óptica

Os compósitos quânticos retiveram suas funcionalidades até 50 ºC acima da temperatura ambiente. Essa temperatura de transição é próxima à temperatura de operação de computadores e outros aparelhos eletrônicos, que esquentam quando funcionam. Essa tolerância à temperatura abre possibilidades para uma ampla gama de aplicações dos compósitos quânticos em eletrônica e computação.

Os pesquisadores também descobriram que os compósitos quânticos têm uma constante dielétrica incomumente alta - uma métrica que caracteriza a capacidade do material de armazenar eletricidade. A constante dielétrica dos compósitos eletricamente isolantes aumentou em mais de duas ordens de grandeza, o que permite fabricar capacitores menores e mais potentes - capacitores são também usados para armazenamento de energia.

Outra aplicação possível está nos revestimentos reflexivos. A mudança na constante dielétrica induzida por aquecimento, exposição à luz ou aplicação de um campo elétrico pode ser usada para mudar a reflexão da luz dos vidros e janelas.

"Esperamos que nossa capacidade de preservar as fases de condensado quântico nos materiais de onda de densidade de carga, mesmo dentro de compósitos desordenados e mesmo acima da temperatura ambiente, possa mudar o jogo para muitas aplicações. É uma abordagem conceitualmente diferente para ajustar as propriedades dos compósitos que usamos no dia a dia," disse o professor Alexander Balandin, da Universidade Califórnia de Riverside.

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