Nova técnica reprograma a matéria rearranjando rapidamente seus átomos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/05/2026

Um feixe de elétrons move colunas de átomos individuais dentro de um material com precisão, dando origem a propriedades quânticas exóticas, não encontradas em materiais naturais
[Imagem: ulian Klein/Frances Ross]

Como mover átomos

Já se vão quase quatro décadas desde a primeira demonstração da capacidade de mover átomos individuais, o que fez os cientistas acenarem com a possibilidade de construir objetos de baixo para cima, projetando e montando os materiais átomo por átomo, para personalizar suas propriedades ou criar materiais com características não encontradas na natureza.

O progresso vinha sendo lento. É fato que já existem diversas técnicas que permitem mover átomos individuais, mas elas só permitem mover átomos em duas dimensões, pela superfície dos materiais. Além disso, são processos extremamente lentos e que só funcionam em condições de alto vácuo e temperaturas criogênicas.

Mas o sonho continua. Julian Klein e uma equipe de várias instituições de pesquisa acabam de desenvolver uma maneira de mover com precisão dezenas de milhares de átomos individuais dentro de um material em minutos, e fazer isso à temperatura ambiente.

A abordagem utiliza um conjunto de algoritmos para posicionar cuidadosamente um feixe de elétrons em locais específicos do material e, em seguida, varrer o feixe para impulsionar o movimento dos átomos.

"Os resultados demonstram a capacidade de mover átomos de forma determinística e repetida dentro da rede atômica 3D de um material," disse Klein, do MIT. "Podemos reprogramar materiais para criar defeitos à vontade, realizando estados da matéria totalmente artificiais, não encontrados na natureza, com uma ampla gama de aplicações potenciais, incluindo tecnologias de sensoriamento, ópticas e magnéticas. Há inúmeras oportunidades possibilitadas por essas técnicas."

O posicionamento em escala picométrica define os limites da matéria atômica projetada.
[Imagem: Julian Klein et al. - 10.1038/s41586-026-10431-9]

Movimentando átomos por atacado

Foi em 1989 que pesquisadores da IBM usaram um microscópio de tunelamento de varredura para organizar 35 átomos na superfície de um cristal resfriado até perto do zero absoluto, usando os átomos para formar a palavra "IBM". Depois disso foram desenvolvidas duas outras técnicas para manipular átomos no vácuo, utilizando pinças ópticas para aprisionar átomos neutros e campos elétricos oscilantes para aprisionar íons.

Agora, pela primeira vez, essas manipulações poderão ser feitas em três dimensões, atingindo o interior dos materiais. Para isso, os pesquisadores criaram algoritmos para controlar automaticamente alguns dos microscópios mais poderosos do mundo, no Laboratório Nacional Oak Ridge, nos EUA.

O conjunto de algoritmos direciona um feixe de elétrons a um átomo alvo com uma precisão de alguns picômetros (um trilionésimo de metro). O feixe descreve um laço fechado para ajudar a focalizar o alvo, e então envia outro feixe de elétrons através do material em uma trajetória oscilatória cuidadosamente projetada, permanecendo cerca de um segundo em cada ponto.

"Desenvolvemos algoritmos que nos permitem obter rapidamente informações sobre a localização do feixe no material," explicou Klein. "O segredo é usar muito poucos elétrons no processo de obtenção dessas informações, para que todo o processo seja rápido e não danifique o cristal acidentalmente. Levamos muitos anos para desenvolver esses algoritmos e determinar a quantidade mínima de informações necessárias para inferir a localização dos átomos com a maior precisão."

O movimento do feixe que fornece os elétrons segue um caminho oscilante, empurrando colunas inteiras de átomos para novos locais, da mesma forma que você desliza o dedo na tela do seu celular.

Engenharia atômica da matéria artificial em um pedaço de semicondutor CrSBr.
[Imagem: Julian Klein et al. - 10.1038/s41586-026-10431-9]

Criando matéria projetada

Para demonstração da técnica, os pesquisadores direcionaram o movimento de colunas de átomos de cromo em um material semicondutor estável, o brometo de sulfeto de cromo (CrSBr), usando um cristal com cerca de 13 nanômetros de espessura. O feixe criou vacâncias do tamanho de átomos no material, cada vacância emparelhada com o átomo deslocado, dando ao cristal propriedades quânticas exóticas - essas novas propriedades ainda precisarão ser estudadas.

Para demonstrar a escalabilidade da abordagem, a equipe criou mais de 40.000 defeitos em cerca de 40 minutos, gerando vacâncias e interstícios em diferentes distâncias e padrões, calculando que diferentes arranjos atômicos devem resultar em diferentes propriedades mecânicas quânticas.

"Cada um desses defeitos tem certas maneiras de interagir com seus vizinhos," explicou o professor Frances Ross. "Se você os organizar em um padrão, poderá essencialmente simular as interações entre os elétrons dentro de uma molécula, de modo que toda a estrutura eletrônica dessa molécula pode, em certo sentido, ser mapeada em um padrão que você pode gravar em um material sólido."

Os pesquisadores afirmam que sua técnica estabelece as bases para uma nova classe de matéria programável, auxiliando no desenvolvimento de uma gama de dispositivos quânticos.

"Esta é uma maneira de acessar fenômenos físicos que envolvem muitos átomos dispostos em um arranjo específico, algo que não pode ser feito por automontagem," disse Ross. "Você pode criar arranjos atômicos individualmente ajustados, e pode ter muitos deles, cada um organizado exatamente como você quiser em áreas de dezenas e centenas de nanômetros. Isso leva a uma física coletiva que estamos ansiosos para explorar."

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