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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.