Um "material milagroso" quântico poderia suportar comutação magnética, demonstrou uma equipe de pesquisadores da Universidade de Regensburg e da Universidade de Michigan.

O estudo "Controlando correlações de Coulomb e estrutura fina de excitons quase unidimensionais por ordem magnética" foi publicado na Nature .

Essa capacidade descoberta recentemente pode ajudar a habilitar aplicações em computação quântica , sensoriamento e muito mais. Enquanto estudos anteriores identificaram que entidades quânticas chamadas excitons são algumas vezes efetivamente confinadas a uma única linha dentro do material sulfeto de cromo brometo, a nova pesquisa fornece uma demonstração teórica e experimental completa explicando como isso está conectado à ordem magnética no material.

O brometo de sulfeto de cromo é interessante para pesquisadores quânticos porque pode suportar quase qualquer maneira pela qual a informação é fisicamente codificada: em carga elétrica, fótons (luz), magnetismo (spins de elétrons) e fônons (vibrações, como o som).

"A visão de longo prazo é que você poderia construir máquinas ou dispositivos quânticos que usem essas três ou até mesmo todas as quatro propriedades: fótons para transferir informações, elétrons para processar informações por meio de suas interações, magnetismo para armazenar informações e fônons para modular e transduzir informações para novas frequências", disse Mackillo Kira, professor de engenharia elétrica e de computação da UM.

Uma das maneiras pelas quais o brometo de sulfeto de cromo pode codificar informações quânticas é em excitons. Um exciton se forma quando um elétron é movido de seu estado de energia "fundamental" no semicondutor para um estado de energia mais alto, deixando para trás um "buraco". O elétron e o buraco são pareados, e esse estado coletivo é um exciton.

Os excitons são presos em camadas únicas pelas propriedades magnéticas incomuns do brometo de sulfeto de cromo. O material é feito de camadas com apenas alguns átomos de espessura, como massa filo molecular.

Em baixas temperaturas abaixo de 132 Kelvin (-222 Fahrenheit), as camadas são magnetizadas — os spins dos elétrons se alinham uns com os outros. A direção do campo magnético muda para a direção oposta de uma camada para a outra. Esta é uma estrutura antiferromagnética.

Acima de 132 Kelvin, o material não é magnetizado — o calor impede que os spins dos elétrons permaneçam alinhados, então eles apontam em direções aleatórias. No estado não magnetizado, os excitons não ficam presos, mas se estendem por múltiplas camadas atômicas, tornando-os tridimensionais. Eles também podem se mover em qualquer direção.

Quando a estrutura antiferromagnética confina os éxcitons a uma única camada atômica, os éxcitons ficam ainda mais restritos a uma única linha — uma única dimensão — porque eles podem se mover facilmente ao longo de apenas um dos dois eixos do plano.

Em um dispositivo quântico, esse confinamento ajuda a informação quântica a durar mais porque os éxcitons têm menos probabilidade de colidir uns com os outros e perder as informações que carregam.

"A ordem magnética é um novo botão de ajuste para moldar excitons e suas interações. Isso pode ser um divisor de águas para a eletrônica e tecnologia da informação do futuro", disse Rupert Huber, professor de física na Universidade de Regensburg, na Alemanha.

A equipe experimental, liderada por Huber, produziu excitons dentro de uma amostra de brometo de sulfeto de cromo atingindo-a com pulsos de luz infravermelha de apenas 20 quatrilionésimos de segundo de duração. Então, eles usaram outro laser infravermelho com pulsos menos energéticos para empurrar os excitons para estados de energia ligeiramente mais altos.

Dessa forma, eles descobriram que há duas variações dos excitons com energias surpreendentemente diferentes — quando normalmente, eles teriam energias idênticas. Essa divisão de um estado de energia é conhecida como estrutura fina.

A equipe também explorou como o material varia no espaço disparando esses pulsos menos energéticos ao longo de dois eixos diferentes dentro do material para sondar as estruturas internas dos excitons. Essa abordagem revelou os excitons altamente dependentes da direção, que poderiam ser confinados a uma linha ou expandidos em três dimensões. Essas configurações podem ser ajustadas com base nos estados magnéticos, comutáveis por meio de campos magnéticos externos ou mudanças de temperatura.

"Como os graus de liberdade eletrônico, fotônico e de spin estão fortemente interligados, alternar entre um estado magnetizado e um não magnetizado pode servir como uma maneira extremamente rápida de converter informações quânticas baseadas em fótons e spin", disse Matthias Florian, pesquisador da UM em engenharia elétrica e de computação e coautor com Marlene Liebich, candidata a doutorado em física na Universidade de Regensburg.

A equipe teórica, liderada por Kira, explicou esses resultados com cálculos quânticos de muitos corpos. Os cálculos usaram a estrutura do material para prever sistematicamente a divisão excepcionalmente grande da estrutura fina no material ordenado magneticamente e as transições entre os dois estados de exciton quando o material transitou para dentro e para fora da ordem magnética .

Eles também confirmaram que a transição de éxcitons unidimensionais para tridimensionais foi responsável pelas mudanças substanciais observadas em quanto tempo os éxcitons poderiam permanecer sem colidir, já que os éxcitons maiores e mais móveis têm mais oportunidades de colidir.

Uma das grandes questões que a equipe planeja perseguir é se esses excitons incorporados na separação de carga podem ser convertidos em excitações magnéticas incorporadas em spins de elétrons . Se isso puder ser feito, forneceria uma avenida útil para converter informações quânticas entre os mundos muito diferentes de fótons, excitons e spins.

Pesquisadores da Universidade de Química e Tecnologia de Praga, na República Tcheca, e da Universidade de Tecnologia de Dresden, na Alemanha, também contribuíram para o estudo.