A eficiência de computadores quânticos, sensores e outras aplicações muitas vezes depende das propriedades dos elétrons, incluindo a forma como eles giram. Um dos sistemas mais precisos para aplicações quânticas de alto desempenho baseia-se na exploração das propriedades de spin dos elétrons de átomos aprisionados em um gás, mas esses sistemas são difíceis de escalar para uso em dispositivos quânticos maiores, como computadores quânticos. Agora, uma equipe de pesquisadores da Penn State e da Colorado State demonstrou como um aglomerado de ouro pode imitar esses átomos aprisionados em gás, permitindo que os cientistas aproveitem essas propriedades de spin em um sistema que pode ser facilmente escalado.
“Pela primeira vez, mostramos que nanoclusters de ouro possuem as mesmas propriedades de spin fundamentais que os métodos atuais de ponta para sistemas de informação quântica”, disse Ken Knappenberger, chefe de departamento e professor de química na Penn State Eberly College of Science e líder da equipe de pesquisa. “O mais empolgante é que também podemos manipular uma propriedade importante chamada polarização de spin nesses clusters, que normalmente é fixa em um material. Esses clusters podem ser facilmente sintetizados em quantidades relativamente grandes, tornando este trabalho uma prova de conceito promissora de que os clusters de ouro podem ser utilizados para suportar uma variedade de aplicações quânticas.”
Dois artigos descrevendo os clusters de ouro e confirmando suas propriedades de spin foram publicados na ACS Central Science e na The Journal of Physical Chemistry Letters.
“O spin de um elétron não só influencia reações químicas importantes, mas também aplicações quânticas como computação e sensoriamento”, disse Nate Smith, aluno de pós-graduação em química na Penn State Eberly College of Science e autor principal de um dos artigos. “A direção do giro de um elétron e seu alinhamento em relação a outros elétrons no sistema podem impactar diretamente a precisão e a longevidade dos sistemas de informação quântica.”
Assim como a Terra gira em torno de seu eixo, que está inclinado em relação ao sol, um elétron pode girar em torno de seu eixo, que pode estar inclinado em relação ao seu núcleo. Mas, ao contrário da Terra, um elétron pode girar no sentido horário ou anti-horário. Quando muitos elétrons em um material giram na mesma direção e suas inclinações estão alinhadas, os elétrons são considerados correlacionados, e o material é dito ter um alto grau de polarização de spin.
“Materiais com elétrons altamente correlacionados, com um alto grau de polarização de spin, podem manter essa correlação por um período muito mais longo e, assim, permanecer precisos por muito mais tempo”, disse Smith.
O sistema atual de ponta para alta precisão e baixa taxa de erro em sistemas de informação quântica envolve íons atômicos aprisionados – átomos com uma carga elétrica – em um estado gasoso. Esse sistema permite que elétrons sejam excitados a diferentes níveis de energia, chamados estados de Rydberg, que têm polarizações de spin muito específicas que podem durar um longo período de tempo. Ele também permite a superposição de elétrons, com elétrons existindo em múltiplos estados simultaneamente até serem medidos, o que é uma propriedade-chave para sistemas quânticos.
“Esses íons gasosos aprisionados são, por natureza, diluídos, o que os torna muito difíceis de escalar”, disse Knappenberger. “A fase condensada necessária para um material sólido, por definição, compacta os átomos, perdendo essa natureza diluída. Assim, escalar oferece todos os ingredientes eletrônicos corretos, mas esses sistemas se tornam muito sensíveis à interferência do ambiente. O ambiente basicamente embaralha todas as informações que você codificou no sistema, portanto, a taxa de erro se torna muito alta. Neste estudo, descobrimos que os clusters de ouro podem imitar todas as melhores propriedades dos íons gasosos aprisionados com o benefício da escalabilidade.”
Os cientistas estudaram intensamente nanostruturas de ouro por seu potencial uso em tecnologia óptica, sensoriamento, terapêutica e para acelerar reações químicas, mas menos se sabe sobre suas propriedades magnéticas e dependentes de spin. Nos estudos atuais, os pesquisadores exploraram especificamente clusters protegidos por monocamadas, que possuem um núcleo de ouro e são cercados por outras moléculas chamadas ligantes. Os pesquisadores podem controlar com precisão a construção desses clusters e podem sintetizar quantidades relativamente grandes ao mesmo tempo.
“Esses clusters são chamados de super átomos, porque seu caráter eletrônico é semelhante ao de um átomo, e agora sabemos que suas propriedades de spin também são similares”, disse Smith. “Identificamos 19 estados polarizados por spin distinguíveis e únicos semelhantes aos estados de Rydberg que conseguimos em íons gasosos diluídos aprisionados. Isso significa que os clusters têm as propriedades fundamentais necessárias para realizar operações baseadas em spin.”
A equipe de pesquisadores determinou a polarização de spin dos clusters de ouro usando um método similar ao utilizado com átomos tradicionais. Enquanto um tipo de cluster de ouro tinha 7% de polarização de spin, um cluster com um ligante diferente se aproximou de 40% de polarização de spin, o que Knappenberger afirmou ser competitivo com alguns dos principais materiais quânticos bidimensionais.
“Isso nos diz que as propriedades de spin do elétron estão intimamente relacionadas às vibrações dos ligantes,” disse Knappenberger. “Tradicionalmente, materiais quânticos têm um valor fixo de polarização de spin que não pode ser significativamente alterado, mas nossos resultados sugerem que podemos modificar o ligante desses clusters de ouro para sintonizar essa propriedade amplamente.”
A equipe de pesquisa planeja explorar como diferentes estruturas dentro dos ligantes impactam a polarização de spin e como poderiam ser manipuladas para ajustar finamente as propriedades de spin.
“O campo quântico é geralmente dominado por pesquisadores em física e ciência de materiais, e aqui vemos a oportunidade para os químicos usarem nossas habilidades de síntese para projetar materiais com resultados ajustáveis”, disse Knappenberger. “Esta é uma nova fronteira na ciência da informação quântica.”
Além de Smith e Knappenberger, a equipe de pesquisa inclui Juniper Foxley, aluno de pós-graduação em química na Penn State; Patrick Herbert, que obteve um doutorado em química na Penn State em 2019; Jane Knappenberger, pesquisadora na Penn State Eberly College of Science; assim como Marcus Tofanelli e Christopher Ackerson na Colorado State
O financiamento do Air Force Office of Scientific Research e da National Science Foundation dos EUA apoiou esta pesquisa.
