Físicos teóricos, experimentais e computacionais desenvolvem a tecnologia do futuro #ÚltimasNotícias

Olhe para uma substância plana na escala atômica e você encontrará um mundo novo e estranho que tem pouca semelhança com o que você vê a olho nu.

“Quando você olha para um nível atômico, um material não é perfeitamente plano com bordas perfeitas”, explicou o Professor Associado de Física da Universidade de Binghamton, Pegor Aynajian. “Ele pode ser muito áspero, com terraços atômicos que vão em direções diferentes, bordas diferentes e defeitos.”

Aynajian trabalha em um laboratório que é mais limpo e mais frio que o espaço sideral, condições que permitem que pesquisadores estudem materiais exóticos conhecidos como isolantes topológicos magnéticos no nível atômico. Conhecidos como materiais quânticos, eles estão na fronteira da física da matéria condensada e podem um dia liderar o caminho para inovações tecnológicas dignas de ficção científica.

Materiais topológicos e supercondutores estão entre as linhas de pesquisa do programa de física de Binghamton, que abrange física teórica, computacional e experimental.

O programa de pós-graduação inicial terminou na década de 1980 e foi relançado em 2010, disse o professor Alexey Kolmogorov, que ingressou no departamento em 2012. Desde sua retomada, o programa se fortaleceu a cada ano e entrou no ranking dos melhores programas de pós-graduação da US News and World Reports em 2023.

O corpo docente recebe rotineiramente financiamento de pesquisa da National Science Foundation, incluindo Kolmogorov, cujo trabalho tem sido financiado todos os anos desde 2014, e Aynajian, que recebeu uma bolsa de US$ 534.746 da NSF em junho. Nos últimos 10 anos, o departamento de física garantiu três prêmios NSF CAREER e mais de cinco bolsas NSF e Department of Energy, bem como uma bolsa Department of Defense Multidisciplinary University Research Initiatives (MURI).

Hoje, o programa tem cerca de 45 alunos de pós-graduação e o departamento continua a contratar novos membros do corpo docente. Ex-alunos foram trabalhar no Google e na Intel, em laboratórios nacionais e na academia. Graduados em física também participam de pesquisas e até mesmo são coautores de artigos, o que os levou a alguns dos melhores programas de doutorado do país. É um recorde impressionante para um programa jovem, reconheceu o corpo docente.

Alguns físicos de Binghamton trabalham em laboratórios de alta tecnologia, enquanto outros criam modelos de computador. Alguns nunca precisam trabalhar em um laboratório e, em vez disso, lidam com equações matemáticas.

“A física está se tornando mais colaborativa; não é como antigamente, quando havia uma única pessoa em um escritório, escrevendo uma teoria”, disse o professor associado Wei-Cheng Lee, um teórico da matéria condensada que frequentemente trabalha com Aynajian. “A pesquisa em física de hoje envolve muitas pessoas diferentes com diferentes áreas de especialização.”

O que é um material quântico?

Materiais quânticos exibem qualidades que normalmente não são vistas em materiais simples ou em temperatura ambiente, como a supercondutividade. No centro desse fenômeno estão minúsculas partículas fundamentais conhecidas como elétrons, que circundam o núcleo de um átomo; todos os elétrons têm carga negativa e se repelem. Materiais quânticos são amplamente definidos como sólidos com propriedades exóticas devido a novos comportamentos quânticos de elétrons interagindo.

Um exemplo é a supercondutividade, que resultou em vários prêmios Nobel de física.

“Um supercondutor é um material no qual elétrons podem ser atraídos uns pelos outros; eles formam pares de elétrons”, explicou Aynajian. “Quando eles fazem isso, algo muito interessante acontece. Eles se tornam ‘sem dissipação’, pois podem atravessar o material sem nenhuma perda de energia.”

Essa perda é tipicamente expressada por meio do calor, seja um smartphone ou um data center, ele explicou. Em metais, os elétrons são livres para se movimentar, e é por isso que eles podem transportar eletricidade sob uma pequena voltagem. Diamante e vidro, no entanto, são isolantes: para fazer os elétrons se moverem, você precisaria aplicar uma voltagem enorme de fora do material.

Em materiais quânticos com novas qualidades topológicas, os físicos descobriram isolantes topológicos há cerca de duas décadas. Embora contenham um isolante normal, suas superfícies são condutoras, como cobre ou ouro. Como resultado, os elétrons podem se mover livremente apenas na superfície. Recentemente, os físicos encontraram materiais mais exóticos que exibem propriedades ainda mais estranhas: os elétrons podem se mover apenas nas bordas da amostra por meio de uma única linha atômica. Em outros, os elétrons podem estar disponíveis apenas nos cantos.

Os primeiros materiais desse tipo foram previstos por teóricos e depois descobertos e realizados por físicos experimentais — o inverso de muitas descobertas, que geralmente começam com experimentos e depois são explicadas por teóricos.

Os materiais quânticos oferecem oportunidades únicas para o avanço de vários campos em rápida evolução, incluindo computadores e sensores quânticos, que são muito mais rápidos do que a tecnologia tradicional. Pense desta forma: os computadores que usamos todos os dias dependem de corrente elétrica e de um código binário de uns e zeros que manipula o fluxo dessa corrente. Na realidade quântica, um elétron pode estar em dois lugares simultaneamente ou passar por outra substância.

O resultado final: um computador quântico que pode concluir certos cálculos em minutos ou horas que levariam 10.000 anos em um computador tradicional. Esse conceito é conhecido como supremacia quântica, e cientistas de diversos campos e vários institutos de pesquisa — até mesmo equipes do Google, Microsoft e IBM — estão trabalhando ativamente para alcançá-lo. Hoje, esses tipos de computadores são do tamanho de um laboratório completo, Aynajian apontou; eles também precisam de frio na faixa de mili-Kelvin.

“Quando falamos sobre computadores quânticos, bits quânticos chamados cúbitos não são definidos como uns ou zeros, como em um computador clássico”, explicou Aynajian. “Isso permite que computadores quânticos realizem muitas computações simultaneamente.”

O papel da modelagem e da teoria

Para os físicos da matéria condensada, o Santo Graal é um supercondutor que pode operar em temperatura ambiente. Atualmente, materiais elegíveis exigiriam uma pressão enorme, o que os tornaria impraticáveis, reconheceu Kolmogorov.

Seu trabalho está na intersecção entre física, ciência dos materiais e ciência da computação; ele e a professora Elena Roxana Margine combinaram seus métodos computacionais avançados separados para prever materiais que poderiam funcionar como supercondutores de próxima geração.

“No momento, estamos tentando sintetizar alguns desses materiais”, disse ele.

Muitos físicos que constroem modelos de computador nunca puseram os pés em um laboratório; Kolmogorov, que obteve seu doutorado em física da matéria condensada, é uma exceção. Como resultado, ele e Margine garantem que suas previsões sejam fisicamente viáveis, o que levou à taxa de sucesso de dois dígitos de seu grupo de pesquisa.

Uma possibilidade está nos materiais baseados em boro e carbono. Em sua pesquisa mais recente, Kolmogorov e Margine sugeriram não apenas materiais específicos, mas uma maneira como esses materiais poderiam ser sintetizados.

“Então, efetivamente, estamos propondo uma classe totalmente nova de materiais que têm o potencial de serem supercondutores em altas temperaturas, e esses são elementos muito comuns”, ele disse. “Você não precisa de nada exótico: é só lítio, sódio, boro, carbono. Espero que tenhamos algumas descobertas empolgantes.”

Como teórico, Lee não trabalha em um laboratório ou com supercomputadores. Em vez disso, ele trabalha com os princípios fundamentais que fundamentam a disciplina — particularmente a matemática.

“Sou um físico teórico; usamos a matemática como uma ferramenta”, ele disse. “No final do dia, precisamos aplicar a teoria para entender algo no mundo real. Caso contrário, não é uma teoria, mesmo que a matemática seja bonita.”

Como ele faz às vezes em sala de aula, Lee levantou uma fita vermelha e azul para explicar como os materiais topológicos funcionam. Conecte-a em um loop, e você forma um estado; torça essa fita antes de conectar as pontas, e você tem outro. Você pode emaranhar a fita e então desembaraçá-la, mas a maneira fundamental como ela é conectada não muda.

Esses dois estados não podem se transformar continuamente um no outro sem quebrar a fita, o que explica — em essência — como os elétrons podem ser limitados a certas bordas e caminhos em um material que, de outra forma, não permite sua passagem. Para usar imagens puramente mentais, considere donuts e tigelas. Ambos podem ser considerados deformações de uma esfera sólida, mas são topologicamente diferentes porque donuts têm um furo, e tigelas não. Nesse sentido, donuts e canecas são topologicamente equivalentes, pois ambos têm um furo.

“É realmente emocionante ver que esse princípio de topologia pode ser realizado em materiais quânticos no mundo real, e tudo isso vem diretamente dos princípios básicos da mecânica quântica!” Lee acrescentou.

Qualquer um dos caminhos do departamento — teoria, modelagem computacional ou experimento — pode levar à próxima grande descoberta. Cada um desses caminhos é crítico para o esforço.

“Pesquisa nesse nível não pode ser feita por uma única pessoa”, disse Aynajian. “A colaboração entre teóricos, experimentalistas, cientistas de materiais e computacionais é essencial, e sempre há muitos desafios a serem superados. Mas quando finalmente funciona, é uma grande descoberta.”