Respiração dos átomos: Descoberto novo mecanismo para tecnologias quânticas

dayllon Agosto 15, 2023 5 min read

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Respiração atômica

Físicos descobriram um fenômeno que eles estão chamando de “respiração atômica”, uma espécie de vibração mecânica entre duas camadas de átomos que poderá ser explorada para transmitir informações.

Os pulsos ritmados dessa respiração dos átomos podem ser detectados observando o tipo de luz que esses átomos emitem quando estimulados por um laser.

Para demonstrar o efeito, a equipe desenvolveu um dispositivo que pode servir como um bloco de construção modular para tecnologias quânticas, com aplicações futuras em campos como computação, comunicações e desenvolvimento de sensores.

“Esta é uma nova plataforma em escala atômica, usando o que a comunidade científica chama de ‘optomecânica’, na qual a luz e os movimentos mecânicos estão intrinsecamente acoplados,” explicou o professor Mo Li, da Universidade de Washington. “Ela fornece um novo tipo de efeito quântico envolvido que pode ser utilizado para controlar fótons únicos que passam por circuitos ópticos integrados, para muitas aplicações.”

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Os pontos azuis e dourados representam duas camadas de átomos de tungstênio e selênio, e cada saliência é a localização do que é chamado de “ponto quântico induzido por tensão”. A equipe usou esses pontos quânticos para criar os emissores quânticos, que podem ser ativados seletivamente para gerar fótons e vibrações mecânicas entre as camadas atômicas, que por sua vez podem ser usadas para codificar e transmitir informações.
[Imagem: Ruoming Peng]

Átomos que respiram

Os pesquisadores estavam trabalhando com éxcitons para criar um emissor de fótons únicos, também conhecido como “emissor quântico”, que é um componente crítico para tecnologias baseadas na luz. Para isso, eles empilharam duas camadas finas de átomos de tungstênio e selênio, conhecidas como disseleneto de tungstênio (WSe₂).

Um pulso preciso de laser arranca um elétron do átomo de tungstênio, formando uma quasipartícula chamada éxciton – cada éxciton consiste em um elétron (negativo) em uma camada do disseleneto de tungstênio, e uma lacuna (positiva), o buraco deixado pelo elétron, na outra camada. Após um breve momento, quando o elétron cai de volta na lacuna que ocupava anteriormente, o éxciton se desfaz emitindo um único fóton. O interessante é que esse fóton pode ser com codificado com informações quânticas, o que significa que estava pronto o emissor quântico que a equipe tentava criar.

Foi quando a pesquisadora Adina Ripin descobriu que os átomos de disseleneto de tungstênio estavam também emitindo outro tipo de quasipartícula, conhecida como fônon. Os fônons representam um quantum de vibração atômica, sendo daí que a equipe tirou a analogia com a respiração. As duas camadas atômicas funcionam como minúsculas peles de tambor, vibrando uma em relação à outra, o que gera os fônons. Esta é a primeira vez que fônons foram observados em um emissor de fótons únicos nesse tipo de sistema atômico bidimensional.

E isto era só o começo. Ao medir o espectro do fóton emitido, Ripin notou vários picos igualmente espaçados. Cada fóton emitido por um éxciton estava acoplado a um ou mais fônons. Isso é semelhante a subir uma escada de energia quântica um degrau por vez – no espectro, esses picos de energia estão representados visualmente pelos picos igualmente espaçados.

**Ilustração do material, sua pulsação e o dispositivo real (destaque à direita).**
[Imagem: Adina Ripin et al. – 10.1038/s41565-023-01410-6]

Mecanismo de informação quântica

Os pesquisadores imediatamente se deram conta de que estavam com as mãos em um novo tipo de mecanismo para armazenar e transportar informações quânticas, e então partiram para testar a ideia. Ao aplicar uma tensão elétrica ao sistema, eles viram que é possível variar a energia de interação dos fônons associados e dos fótons emitidos. Essas variações são mensuráveis e controláveis, permitindo codificar informações quânticas em uma única emissão de fótons.

E tudo isso foi realizado em um sistema integrado – um dispositivo que envolve apenas um pequeno número de átomos.

A seguir, a equipe planeja construir um guia de ondas – fibras em um chip que capturam emissões de fótons individuais e as direcionam para os locais desejados – e, em seguida, ampliar o sistema. Em vez de controlar apenas um emissor quântico por vez, a equipe deseja controlar vários emissores e seus estados de fônon associados. Isso permitirá que os emissores quânticos conversem entre si, um passo para a construção de uma base sólida para circuitos quânticos.

“Nosso objetivo geral é criar um sistema integrado com emissores quânticos que possam usar fótons únicos rodando através de circuitos ópticos e os fônons recém-descobertos para fazer computação quântica e detecção quântica,” disse Li. “Esse avanço certamente contribuirá para esse esforço e ajudará a desenvolver ainda mais a computação quântica que, no futuro, terá muitas aplicações.”

Fonte: Nature Nanotechnology