Pesquisadores da Universidade McGill desenvolveram um novo dispositivo quântico que produz minúsculas partículas semelhantes a sons, chamadas fônons, em temperaturas logo acima do zero absoluto. O avanço poderia ajudar a preparar o caminho para os lasers de fônons, uma tecnologia com uso potencial em comunicações, diagnósticos médicos e detecção avançada.
“A comunicação moderna é amplamente baseada na luz com ondas eletromagnéticas e correntes elétricas. O som pode viajar através de um meio como o oceano, onde a luz e as correntes elétricas não podem”, disse Michael Hillke, professor associado de física e coautor do estudo. “No corpo humano, as ondas sonoras também podem ser uma ferramenta útil.”
O dispositivo foi projetado e testado por pesquisadores da Universidade McGill e do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá, enquanto o material usado no dispositivo foi sintetizado na Universidade de Princeton.
Com que rapidez os elétrons produzem ruído quântico?
A equipe construiu o dispositivo usando um cristal bidimensional que confina os elétrons a um canal com apenas alguns átomos de largura. Quando uma corrente elétrica empurra os elétrons através desse caminho ultrafino em alta velocidade, os elétrons liberam o excesso de energia na forma de explosões de vibrações semelhantes a sons, conhecidas como fônons.
Os pesquisadores descobriram que esses fônons podem ser transformados em padrões previsíveis e controláveis, um passo importante em direção a dispositivos práticos que dependem da manipulação precisa do som no nível quântico.
O resfriamento desbloqueia um comportamento quântico incomum
Os experimentos foram realizados em temperaturas variando de cerca de 10 mili-Kelvin a 3,9 Kelvin. Nessas temperaturas extremamente baixas, os elétrons se comportam de maneira muito mais ordenada, facilitando a observação de fenômenos quânticos, onde a matéria se comporta como ondas em vez de partículas comuns.
“Na temperatura zero absoluta – isto é, no mundo da física quântica – nenhum som é produzido a menos que os elétrons viajem coletivamente na velocidade do som ou acima dela”, explica Hillke. “Trabalhos anteriores observaram efeitos relacionados à medida que o movimento dos elétrons se aproxima da barreira do som. Nosso estudo leva o sistema ainda mais além desse ponto e mostra que as teorias existentes precisam ser reavaliadas, considerando que os elétrons podem ficar muito quentes mesmo quando o cristal hospedeiro está próximo da temperatura do zero absoluto.”
Rumo à comunicação rápida e à tecnologia médica
A próxima fase da pesquisa investigará a construção do dispositivo a partir de outros materiais, incluindo o grafeno, o que poderia permitir que ele operasse em velocidades mais altas.
De acordo com Hillock, versões futuras da tecnologia poderiam contribuir para sistemas de comunicação mais rápidos, equipamentos de detecção mais sensíveis, métodos aprimorados para estudar materiais biológicos e tecnologia médica aprimorada.
“Os fônons são difíceis de criar e usar de forma controlada, por isso estamos explorando novas regras. Em um nível mais amplo, trata-se de como as correntes elétricas e a energia mudam e se transformam dentro de materiais eletrônicos avançados.”
Detalhes do estudo
Os resultados são publicados Carta de revisão física Título em um papel “Emissão de magnetofonon ressonante por elétrons supersônicos em sistemas bidimensionais de ultra-alta mobilidade,” Por Michael Hillock et al.
A pesquisa foi financiada pelo Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá e pelo Fonds de Recherche du Québec – Nature et Technologie.
