Nascidos de uma revolução na física, os materiais quânticos estão revolucionando também o cotidiano

O tema foi tratado na 12ª Conferência da série FAPESP 60 anos, que reuniu grandes especialistas na área

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José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Formulada nas primeiras décadas do século 20 por gigantes da ciência como Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie e Niels Bohr, a física quântica já tem mais de cem anos. Mas há um vasto campo de estudos fundamentais e de aplicações tecnológicas em pauta atualmente.

Nessa área, destacam-se os chamados “materiais quânticos”, cuja investigação unifica física e engenharia, ciência dos materiais e computação quântica, supercondutores e isolantes topológicos, dentre outras disciplinas e subtemas. O assunto, de enorme interesse teórico e prático, foi objeto da 12ª Conferência da série FAPESP 60 anos, que, ao longo de 2022, comemora o 60º aniversário da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo.

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O evento on-line foi aberto pelo presidente da FAPESP, Marco Antonio Zago, que lembrou a grande mudança de paradigma produzida pela física quântica e as aplicações crescentes dos materiais quânticos na vida cotidiana. A moderação da conferência ficou a cargo de Marcelo Knobel, professor titular do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW – Unicamp) e ex-reitor da Unicamp.

Participaram como conferencistas, pela ordem de apresentação: Amir Ordacgi Caldeira, professor titular da Unicamp e membro da Academia Brasileira de Ciências desde 2000; Adalberto Fazzio, professor titular aposentado do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IFUSP), ex-reitor da Universidade Federal do ABC (UFABC) e atual diretor da Ilum Escola de Ciência do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM); e Sergio Machado Rezende, professor emérito de Física da Universidade Federal de Pernambuco e ex-ministro da Ciência e Tecnologia no período de 2005 a 2010.

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Caldeira apresentou um breve histórico da física quântica, desde a fundação até seus desenvolvimentos posteriores, que tiveram um marco na proposta de computação quântica por Paul Benioff (1930-2022) e Richard Feynman (1918-1988).

“A realidade é quântica”, enfatizou Caldeira. E afirmou que os efeitos quânticos, que permanecem escondidos nas experiências macroscópicas do dia a dia, se sobressaem no comportamento de moléculas, átomos e objetos subatômicos; em propriedades coletivas geradas por grandes conjuntos de partículas, como a supercondutividade e a superfluidez; e em efeitos exóticos observados em novos materiais.

Em seguida, o pesquisador explicou que o bit de informação, utilizado na computação convencional, baseia-se na excitação ou não de um determinado objeto físico, por meio da qual é possível codificar informações na forma dos números 0 e 1. No qubit, ou bit quântico, associado ao spin das partículas, não existem apenas as opções de spin para cima e spin para baixo, mas também de uma sobreposição das duas condições.

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A transição da computação convencional para a computação quântica traria, por isso, uma grande vantagem. Mas é também algo inevitável devido à crescente miniaturização dos componentes. “O número de transistores presentes no microchip dobra a cada dois anos. E os elementos se tornam tão pequenos que já não podem mais ser regidos pela física clássica”, afirmou.

Mas Caldeira ponderou que a computação quântica ainda enfrenta um grande desafio, que é a perda de coerência dos sistemas quânticos para o meio ambiente. Este é, atualmente, um dos principais campos de pesquisa na área.

Fazzio trouxe para a conferência o tema da topologia na matéria, que abre todo um campo novo de investigação e aplicação. “A topologia é um ramo da matemática que estuda as propriedades de objetos que são invariantes sob deformações suaves”, definiu o pesquisador, que sublinhou as vantagens dos isolantes topológicos em relação aos isolantes triviais.

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Ele mencionou um estudo publicado recentemente na revista Science que apresentou um levantamento de 96.196 materiais e mostrou que 52,65% deles são topológicos.

Fazzio falou também do uso da teoria do funcional de densidade (DFT, conforme as iniciais da expressão em inglês) para a descrição da estrutura eletrônica dos materiais – em particular dos isolantes topológicos. Vale lembrar que a teoria do funcional de densidade é um método derivado da mecânica quântica bastante usado em física dos sólidos e em química para resolver estruturas moleculares complexas.

Discorrendo sobre as vantagens dos materiais quânticos, Fazzio reproduziu tópicos apresentados pelo presidente norte-americano Barack Obama na Carnegie Mellon University em 2011 em relação aos materiais genômicos: têm aplicação abrangente; uma escala quase infinita de variabilidade de projetos, em diferentes agências; são estudados e utilizados por muitas áreas de conhecimento; costumam ser um diferenciador de produtos; são chaves para a economia e segurança nacionais.

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Rezende, o último expositor do webinário, tratou especialmente da spintrônica de materiais quânticos, lembrando que partículas subatômicas, como o elétron, apresentam não apenas carga elétrica, mas também spin, relacionado com seu momento angular implícito. Da mesma forma que a eletrônica utiliza a carga, a spintrônica se vale do spin. “O spin pode ter dois sentidos, para cima e para baixo. E isso possibilita que ele seja utilizado como um portador de informações”, afirmou.

Ele lembrou que um pesquisador residente no Brasil, o físico argentino Mario Baibich, da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, foi um dos pioneiros da spintrônica, com o estudo da chamada magnetorresistência gigante (GMR), cuja primeira aplicação se deu, anos depois, em cabeça de leitura de disco rígido de computadores. A maior acuidade das leitoras baseadas em GMR possibilitou aumentar exponencialmente o armazenamento de dados nos discos rígidos.

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Um fenômeno descoberto mais recentemente, segundo Rezende, é o da corrente de spins. “Se elétrons com spin para cima e elétrons com spin para baixo transitam em sentidos opostos, a corrente de carga pode ser nula, porém a corrente de spin será diferente de zero, transportando informação. Mas, para poder utilizar a corrente de spin em dispositivos, é preciso converter, de alguma forma, a corrente de spin em corrente de carga”, afirmou, lembrando que esse fenômeno é chamado de efeito spin hall inverso (ISHE, conforme as iniciais em inglês).

Rezende falou então que é possível, assim, fazer o casamento da spintrônica com a eletrônica. E relatou um estudo, publicado em 2002, que mostrou que a sobreposição de uma camada de material ferromagnético por uma camada de material metálico viabiliza “bombear” uma corrente de spin do material metálico para o material ferromagnético. O fenômeno se deve à conservação do momento angular. “Isso permite converter dinâmica de spin em corrente de spin. E essa corrente de spin pode ser manipulada”, resumiu.

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Dentre os estudos mais recentes de aplicação da spintrônica, Rezende destacou as memórias RAM, usadas, por exemplo, em smartphones. “Essas memórias não são eternas. Elas se desfazem com o tempo. Mas a memória RAM magnética, baseada na spintrônica, não perde informação”, disse.

A 12ª Conferência FAPESP 60 anos: Materiais Quânticos pode ser assistida na íntegra na página da Agência FAPESP no YouTube.

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