Então os molicircuitos quânticos são mesmo reais?

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/02/2023

Estes são os nanotubos de molibdenita, que estão rapidamente migrando da ficção para a realidade.
[Imagem: Schock et al. - 10.1002/adma.202209333]

Eletrônica do molibdênio

Quando os autores de ficção científica tentam dar ares de uma era futurística aos seus mundos, um elemento importante está na referência a capacidades computacionais muito além da plataforma baseada em silício da atualidade.

Uma dessas plataformas pós-silício ganhou fama com o nome de "molicircuitos".

O que você talvez não saiba é que os molicircuitos são uma possibilidade aventada há muito tempo - os autores de ficção adoram conversar com os cientistas para ter ideias para seus livros e novelas.

O termo "moli" vem do elemento químico molibdênio, que é o elemento principal de uma família de materiais muito falada, conhecida como dicalcogenetos de metais de transição, que apresenta impressionantes propriedades ópticas, eletrônicas e mecânicas. No "reino da realidade" é mais comum ouvir falar não em molicircuitos, mas na molibdenita, ou dissulfeto de molibdênio (MoS₂) - seu primo, o disseleneto de tungstênio (WSe2), também é muito promissor.

A molibdenita tem estado à frente do grafeno rumo às aplicações práticas, mas há uma espécie de namoro entre a molibdenita e o grafeno não apenas porque ambos podem se juntar em componentes híbridos, simultaneamente células solares e LEDs, por exemplo, mas também porque ambos podem ser fabricados na forma de nanotubos.

Nanotubos de carbono nada mais são do que folhas de grafeno enroladas, mas os nanotubos de molibdenita têm seu próprio charme, podendo até mesmo apresentar supercondutividade se forem adequadamente dopados com outros materiais.

Testes em escala real de nanofitas e nanotubos de molibdenita.
[Imagem: Schock et al. - 10.1002/adma.202209333]

Dos cristais para os nanotubos

Agora, a equipe do professor Andreas Hüttel, da Universidade de Regensburg, na Alemanha, mostrou que os nanotubos de molibdenita podem ser mais do que uma fonte de inspiração para a ficção científica ao resolver um dos maiores entraves às suas aplicações práticas.

"Então, que tal usar o MoS₂ para eletrônica quântica, dispositivos de elétron único ou qubits (carga, spin ou vale)?" propõe o pesquisador.

Aqui é bom lembrar que, ao falarmos de carga elétrica estamos falando de toda a computação e eletrônica modernas, baseadas no elétron; quando falamos em spin, ou momento magnético dos elétrons, estamos falando da promissora, e já útil, spintrônica; e, quando falamos em vales, ou valetrônica, já estamos em uma ponte com a computação quântica.

Antes, porém, é preciso converter todo esse potencial tecnológico em realidade.

"Já existe bastante literatura de ficção científica mencionando 'circuitos de molibdênio'... Bem, um pequeno problema se interpõe no caminho. Acontece que a estrutura de banda eletrônica do material torna bastante difícil alcançar o confinamento quântico, ou seja, estados quânticos eletrônicos discretos e endereçáveis. As estruturas do chip precisam ser construídas em escala muito pequena, difícil de alcançar com flocos de MoS₂ em uma superfície de chip e, até agora, nenhum grupo de pesquisa conseguiu fazer isso de maneira controlada," detalhou Hüttel.

Mas ele e seus colegas encontraram um caminho: Passar dos cristais de molibdenita tradicionalmente usados nas pesquisas para os nanotubos de molibdenita.

Os nanotubos já são minúsculos; agora é preciso miniaturizar todo o sistema de controle e os circuitos complementares.
[Imagem: Schock et al. - 10.1002/adma.202209333]

Nanotubos de molibdenita

Adequadamente cultivados, os nanotubos podem ser fabricados com diâmetros muito pequenos, e isso fez toda a diferença. "Eles podem ser cultivados limpos e retos, com diâmetros de até 20 nm - o que confina automaticamente os portadores de carga em mais uma direção em comparação com um floco bidimensional de MoS₂. O que resta é restringir o movimento dos portadores de carga ao longo do eixo do nanotubo e fazer bons contatos metálicos," contou Hüttel.

E essa parte eles também já resolveram, conseguindo conectar eletrodos do elemento bismuto aos nanotubos deixando sua estrutura intacta. "Agora, finalmente, obtivemos dispositivos que permanecem eletricamente transparentes mesmo na faixa de baixa temperatura normalmente necessária para a computação quântica e que deixam o dissulfeto de molibdênio intacto," disse Hüttel.

E, se isso não lhe parece suficientemente próximo da ficção científica, tem mais: Durante os testes, a equipe já confirmou em seus nanotubos fenômenos de largo interesse tecnológico, como pontos quânticos e tunelamento eletrônico através de estados quânticos únicos e discretos. Assim, tudo o que parece faltar é um pouco de miniaturização do sistema de controle como um todo, colocando tudo em escala de chip.

"Até agora, por razões práticas, usamos nanotubos e nanofitas bastante grandes. Ainda assim, podemos mostrar que, em nossa configuração de baixa temperatura, em temperaturas abaixo de 0,1 K, como são usadas em muitas abordagens de computação quântica, a corrente passa por estados quânticos discretos em nosso chip - e esse é um grande passo para controle de carga, spin ou até qubits de vale em MoS₂," finalizou Hüttel.

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