Ilustração do primeiro dispositivo semicondutor quântico onde o efeito de pele topológico foi alcançado. O fluxo de elétrons (círculo azul) ao longo da borda garante robustez incomparável, apesar das deformações do material ou outras perturbações externas. Este semicondutor quântico significa um avanço no desenvolvimento de minúsculos dispositivos eletrônicos topológicos. Crédito: Christoph Mäder/pixelwg
Dispositivos semicondutores são pequenos componentes que gerenciam o movimento de elétrons em aparelhos eletrônicos contemporâneos. Eles são essenciais para alimentar uma ampla gama de produtos de alta tecnologia, incluindo telefones celulares, laptops e sensores de veículos, bem como dispositivos médicos de última geração. Porém, a presença de impurezas no material ou variações de temperatura podem interferir no fluxo de elétrons, causando instabilidade.
Mas agora, físicos teóricos e experimentais do Cluster de Excelência Würzburg-Dresden ct.qmat – Complexidade e Topologia em Matéria Quântica desenvolveram um dispositivo semicondutor de arsenieto de alumínio-gálio (AlGaAs). O fluxo de elétrons deste dispositivo, geralmente suscetível a interferências, é salvaguardado por um fenômeno quântico topológico. Esta pesquisa inovadora foi recentemente detalhada na estimada revista Física da Natureza.
“Graças ao efeito topológico da pele, todas as correntes entre os diferentes contatos no semicondutor quântico não são afetadas por impurezas ou outras perturbações externas. Isto torna os dispositivos topológicos cada vez mais atraentes para a indústria de semicondutores. Eles eliminam a necessidade de níveis extremamente elevados de pureza de material que atualmente aumentam os custos de fabricação de eletrônicos”, explica o professor Jeroen van den Brink, diretor do Instituto de Física Teórica do Estado Sólido do Instituto Leibniz de Pesquisa de Estado Sólido e Materiais em Dresden (IFW) e investigador principal do ct.qmat.
Materiais quânticos topológicos, conhecidos por sua robustez excepcional, são ideais para aplicações de uso intensivo de energia. “Nosso semicondutor quântico é estável e altamente preciso – uma combinação rara. Isso posiciona nosso dispositivo topológico como uma nova opção emocionante em engenharia de sensores.”
Extremamente robusto e ultrapreciso
A utilização do efeito de pele topológico permite novos tipos de dispositivos quânticos eletrônicos de alto desempenho que também podem ser incrivelmente pequenos. “Nosso dispositivo quântico topológico mede cerca de 0,1 milímetros de diâmetro e pode ser reduzido ainda mais com facilidade”, revela van den Brink. O aspecto pioneiro desta conquista da equipe de físicos de Dresden e Würzburg é que eles foram os primeiros a perceber o efeito topológico da pele em escala microscópica em um material semicondutor. Este fenómeno quântico foi inicialmente demonstrado a nível macroscópico há três anos – mas apenas num metamaterial artificial, não natural. Esta é, portanto, a primeira vez que um pequeno dispositivo quântico topológico baseado em semicondutores, altamente robusto e ultrassensível, foi desenvolvido.
“Em nosso dispositivo quântico, a relação corrente-tensão é protegida pelo efeito de pele topológico porque os elétrons estão confinados na borda. Mesmo no caso de impurezas no material semicondutor, o fluxo de corrente permanece estável”, explica van den Brink. Ele continua: “Além disso, os contatos podem detectar até as menores flutuações de corrente ou tensão. Isso torna o dispositivo quântico topológico excepcionalmente adequado para fabricar sensores e amplificadores de alta precisão com diâmetros minúsculos.”
Experimentação inovadora leva à descoberta
O sucesso foi alcançado organizando materiais e contatos de forma criativa em um dispositivo semicondutor AlGaAs, induzindo o efeito topológico sob condições ultrafrias e um forte campo magnético. “Nós realmente eliminamos o efeito topológico da pele do dispositivo”, explica van den Brink. A equipe de física empregou uma estrutura semicondutora bidimensional. Os contatos foram dispostos de forma que a resistência elétrica pudesse ser medida nas bordas dos contatos, revelando diretamente o efeito topológico.
Pesquisa Unida em Diferentes Locais
Desde 2019, o ct.qmat investiga materiais quânticos topológicos em Würzburg e Dresden, explorando seu comportamento extraordinário sob condições extremas, como temperaturas ultrabaixas, altas pressões ou campos magnéticos fortes.
O recente avanço é também o resultado da colaboração sustentada entre cientistas nos dois locais do cluster. O novo dispositivo quântico, concebido no IFW, foi um esforço conjunto envolvendo físicos teóricos da Universität Würzburg, bem como investigadores teóricos e experimentais em Dresden. Depois de produzido na França, o aparelho foi testado em Dresden. Jeroen van den Brink e os seus colegas dedicam-se agora a explorar ainda mais este fenómeno, com o objetivo de aproveitá-lo para futuras inovações tecnológicas.
Referência: “Topologia não-Hermitiana em um dispositivo Hall quântico multiterminal” por Kyrylo Ochkan, Raghav Chaturvedi, Viktor Könye, Louis Veyrat, Romain Giraud, Dominique Mailly, Antonella Cavanna, Ulf Gennser, Ewelina M. Hankiewicz, Bernd Büchner, Jeroen van den Brink, Joseph Dufouleur e Ion Cosma Fulga, 18 de janeiro de 2024, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-023-02337-4
