Bobina geométrica quebra limite quântico de resistência elétrica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/11/2020

A equipe construiu 104 superindutores, até descobrir a geometria que funciona melhor.
[Imagem: M. Peruzzo et al. - 10.1103/PhysRevApplied.14.044055]

Superindutores

O transístor começou a ser miniaturizado tão logo nasceu, nos idos de 1947, mas a bobina, ou indutor, só foi devidamente miniaturizada há menos de 10 anos, tornando-se o último componente eletrônico a ser adequadamente encolhido.

E a miniaturização revelou que há segredos envolvendo os indutores.

Um indutor é um componente elétrico passivo que armazena energia na forma de um campo magnético, normalmente combinando várias espiras de um fio condutor, o qual é percorrido por uma corrente elétrica. Seu papel mais importante é filtrar frequências conforme a necessidade do circuito.

Mas existe também um tipo especial de indutor, conhecido como superindutor - ou superbobina -, cuja característica essencial é apresentar uma impedância elétrica acima de 6,5 kΩ.

A impedância, medida em ohms (Ω), indica o quanto um componente ou circuito dificulta a passagem da corrente elétrica, e o valor de 6,5 kΩ é conhecido como "resistência quântica", sendo determinado pela constante de Planck (h) e pela carga do elétron (e).

Até agora os físicos acreditavam que só era possível superar a impedância quântica por meio das propriedades intrínsecas do próprio material utilizado para fazer o indutor - os grânulos na composição dos cristais de um metal, por exemplo. Essa propriedade é chamada indutância cinética, e se refere à tendência de um condutor elétrico - neste caso o fio que compõe a bobina - a se opor a uma mudança na corrente elétrica que flui através dele.

Técnica de construção das superbobinas, cujo comportamento elétrico é ditado pela sua geometria, e não pela composição química do material.
[Imagem: M. Peruzzo et al. - 10.1103/PhysRevApplied.14.044055]

Superindutância geométrica

Para começar, Matilda Peruzzo e seus colegas do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria descobriram que não é preciso mexer na composição do material com que são feitos os fios da bobina: dá para fazer um superindutor apenas mudando o formato da bobina.

Mais do que isso, usando técnicas similares às usadas na construção dos metamateriais, Peruzzo demonstrou que um fio metálico enrolado nas dimensões corretas tem impedância maior do que o esperado porque o caminho magnético de cada volta do fio interfere com o campo magnético das espiras adjacentes.

No que a equipe chamou de "superindutância geométrica", os protótipos superaram em até cinco vezes a resistência quântica, mostrando que nem a resistência quântica e nem a impedância do espaço livre entre as espiras representam um limite fundamental para a resistência elétrica.

A equipe construiu mais de 100 protótipos, com as mais variadas geometrias, cada uma apresentando impedâncias diferentes, o que provavelmente exigirá dos teóricos um novo modelo para explicação desses fenômenos largamente empregados na tecnologia eletrônica.

Mas os pesquisadores já estão de olho no uso prático da superindutância geométrica: "Os superindutores geométricos estão livres de eventos de tunelamento não controlados e oferecem alta reprodutibilidade, linearidade e a capacidade de acoplamento magnético - propriedades que ampliam significativamente o escopo de futuros circuitos quânticos. As aplicações incluem a construção de qubits protegidos por hardware para computação quântica tolerante a falhas, acoplamento aprimorado a objetos de momento dipolo pequeno e a definição de um novo padrão de metrologia quântica para o ampere," escreveram eles.

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