Superfluorescência abre caminho para tecnologias quânticas de alta temperatura

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/06/2025

Perovskitas apresentam superfluorescência em altas temperaturas.
[Imagem: Ella Maru Studios/NCSU]

Superfluorescência

Embora a supercondutividade seja bem conhecida, nos últimos anos os físicos avançaram no conhecimento de uma série de outros "estados extremos" da matéria, incluindo a superfluidez, a supersolidez e até um híbrido de ambas, a superfluidez em um supersólido.

Agora chegou a vez de os holofotes se virarem para a superfluorescência, que se caracteriza pela emissão coletiva e coerente de luz quando um conjunto de emissores é energizado, resultando em uma emissão muito mais intensa, embora mais curta, do que quando os emissores estão em seu estado fundamental.

O fenômeno é razoavelmente bem conhecido e já foi demonstrado em vários sistemas, como nuvens atômicas, pontos quânticos e líquidos de quasipartículas. Mas há um detalhe: A superfluorescência sempre foi observada em temperaturas criogênicas, exigidas pelos fenômenos tipicamente quânticos.

Agora, a professora Melike Biliroglu e colegas de várias instituições e países conseguiram desvendar o mecanismo e as condições materiais necessárias para que a superfluorescência ocorra em temperatura ambiente.

Esta demonstração teórico-experimental deverá servir como um modelo para o projeto de materiais que permitam estados quânticos exóticos - como supercondutividade, superfluidez etc - em altas temperaturas, abrindo caminho para aplicações como computadores quânticos que não exijam temperaturas extremamente baixas para funcionar e melhores emissores de luz.

Ilustração dos polarons (esquerda) e sua nuvem de fônons interagindo com a rede atômica do material (direita).
[Imagem: Gerado por IA/Gemini]

Superfluorescência a temperatura ambiente

A descoberta, que se baseou na emergente e promissora classe das perovskitas, envolve uma série de quasipartículas e fenômenos quânticos associados, a saber: éxcitons, polarons, sólitons e skyrmions.

Os éxcitons são como partículas compostas - por isso chamadas de quasipartículas -, formadas pelo acoplamento de uma carga negativa (um elétron) com uma carga positiva (uma lacuna), no interior de um material sólido. Os polarons são mais complicados, envolvendo a interação de um elétron ou lacuna com um átomo na rede cristalina do material, sendo que essa interação causa vibrações, que são fônons, por sua vez a quantização de coisas como o calor ou o som. Os sólitons são ondas muito robustas, que não perdem facilmente energia e nem o seu formato. E os skyrmions são uma espécie de redemoinho magnético que promete revolucionar a computação.

"Imagine a rede atômica como um tecido fino esticado entre dois pontos. Se você colocar bolas sólidas - que representam éxcitons - sobre o tecido, cada bola deforma o tecido localmente. Para obter um estado exótico como a superfluorescência, é necessário que todos os éxcitons, ou bolas, formem um grupo coerente e interajam com a rede como uma unidade, mas em altas temperaturas o ruído térmico impede isso," explicou o professor Kenan Gundogdu, da Universidade da Carolina do Norte.

Mas a perovskita conta com mais quasipartículas em sua prateleira, de modo que o raciocínio pode prosseguir. "A bola e sua deformação local juntas formam um polaron," continuou Gundogdu. "Quando esses polarons transitam de uma distribuição aleatória para uma formação ordenada na rede, eles formam um sóliton, ou unidade coerente. O processo de formação do sóliton amortece as perturbações térmicas, que de outra forma impediriam os efeitos quânticos."

Pronto. A superfluorescência emergiu em um sistema de estado sólido a temperatura ambiente. "Esta é uma das primeiras observações diretas da formação de estados quânticos macroscópicos," disse Melike Biliroglu, membro da equipe.

"Efeitos quânticos macroscópicos, como a supercondutividade, são essenciais para todas as tecnologias quânticas que buscamos - comunicação quântica, criptologia, sensoriamento e computação - e todas elas são atualmente limitadas pela necessidade de baixas temperaturas. Mas agora que entendemos a teoria, temos diretrizes para projetar novos materiais quânticos que podem funcionar em altas temperaturas, o que representa um enorme avanço," concluiu Gundogdu.

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