Cristais quânticos podem desencadear a próxima revolução tecnológica

Os elétrons são fundamentais para quase todos os processos químicos e tecnológicos. Eles impulsionam a transferência de energia, a ligação e a condutividade elétrica, servindo de base tanto para a síntese química quanto para a eletrônica moderna. Nas reações químicas, os elétrons permitem processos redox, formação de ligações e atividade catalítica. Na tecnologia, o gerenciamento de como os elétrons se movem e interagem é a base de tudo, desde circuitos eletrônicos e sistemas de IA até células solares e computadores quânticos. Normalmente, os elétrons estão confinados aos átomos, o que restringe seus usos potenciais. No entanto, em materiais conhecidos como eletretos, os elétrons se movem de forma independente, abrindo a porta para novas capacidades notáveis.

“Ao aprender como controlar esses elétrons livres, podemos projetar materiais que fazem coisas que a natureza nunca planejou”, explica o Dr. Evangelos Miliordos, professor associado de Química em Auburn e autor sênior do estudo, que foi baseado em modelagem computacional avançada.

Para conseguir isso, a equipe de Auburn criou estruturas de materiais inovadoras chamadas Electretos Imobilizados de Superfície, anexando precursores de elétrons solvatados a superfícies estáveis, como diamante e carboneto de silício. Esta configuração torna as características eletrônicas dos eletridos duráveis ​​e ajustáveis. Ao mudar a forma como as moléculas estão organizadas, os elétrons podem agrupar-se em “ilhas” isoladas que se comportam como bits quânticos para computação avançada ou espalhar-se em “mares” extensos que promovem reações químicas complexas.

Essa versatilidade é o que confere à descoberta seu potencial transformador. Uma versão poderia levar ao desenvolvimento de computadores quânticos poderosos, capazes de resolver problemas além do alcance da tecnologia atual. Outro poderia fornecer a base para catalisadores de ponta que aceleram reações químicas essenciais, revolucionando potencialmente a forma como os combustíveis, os produtos farmacêuticos e os materiais industriais são produzidos.

“À medida que a nossa sociedade ultrapassa os limites da tecnologia atual, a procura por novos tipos de materiais está a explodir”, diz o Dr. Marcelo Kuroda, Professor Associado de Física em Auburn. “Nosso trabalho mostra um novo caminho para materiais que oferecem oportunidades para investigações fundamentais sobre interações na matéria, bem como aplicações práticas.”

Versões anteriores de eletrizes eram instáveis ​​e difíceis de escalar. Ao depositá-los diretamente em superfícies sólidas, a equipe de Auburn superou essas barreiras, propondo uma família de estruturas de materiais que poderiam passar de modelos teóricos a dispositivos do mundo real. “Esta é uma ciência fundamental, mas tem implicações muito reais”, diz o Dr. Konstantin Klyukin, professor assistente de Engenharia de Materiais em Auburn. “Estamos falando de tecnologias que podem mudar a forma como computamos e fabricamos.”

O estudo teórico foi liderado por professores de química, física e engenharia de materiais da Universidade de Auburn. “Este é apenas o começo”, acrescenta Miliordos. “Ao aprender como domar os elétrons livres, podemos imaginar um futuro com computadores mais rápidos, máquinas mais inteligentes e novas tecnologias com as quais ainda nem sonhamos.”

O estudo, “Eletrizes com Deslocalização de Elétrons Ajustáveis ​​para Aplicações em Computação Quântica e Catálise”, também foi coautor dos estudantes de pós-graduação Andrei Evdokimov e Valentina Nesterova. Foi apoiado pelos recursos de computação da National Science Foundation dos EUA e da Auburn University.