Colisores de elétrons são construídos dentro de chips

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/07/2023

Colisor de elétrons construído por Niels Ubbelohde e colegas da Universidade Técnica de Braunschweig (Alemanha).
[Imagem: Niels Ubbelohde et al. - 10.1038/s41565-023-01370-x]

Colisor em um chip

Os aceleradores de elétrons estão entre as instalações científicas mais versáteis que existem, sendo úteis em campos que vão da caracterização de minerais ao desenvolvimento de novos medicamentos.

Mas há muitas outras aplicações que não podem se beneficiar de laboratórios tão grandes - eles tipicamente têm o tamanho de um estádio de futebol e custam milhões de dólares.

Na verdade, a miniaturização dos aceleradores de partículas é um esforço antigo, já existindo até um acelerador de elétrons do tamanho de um grão de arroz.

Mas tudo pode ficar ainda melhor se for possível construir não apenas um acelerador, mas um colisor, que acelere precisamente os elétrons e os faça interagir.

Agora, nada menos do que três equipes, trabalhando independentemente, anunciaram ter conseguido justamente isto, levar os aceleradores de elétrons para dentro de chips e fazer isso com a precisão necessária para lidar com elétrons individuais, o que finalmente permitiu a criação de colisores de elétrons dentro de um chip.

E a precisão alcançada tem benefícios de longo alcance. A possibilidade de lidar não com feixes de elétrons, mas com elétrons individuais, permitirá levar o sensoriamento a um novo patamar, desenvolver novos tipos de qubits para computadores quânticos, desenvolver a óptica quântica e uma série de outras possibilidades, não se esquecendo, claro, dos estudos fundamentais de física.

Embora tenham membros de várias instituições, as equipes foram lideradas por pesquisadores da Universidade Técnica de Braunschweig (Alemanha), Universidade Grenoble Alpes (França) e Laboratório Nacional de Física (Reino Unido).

Colisor de elétrons construído por Junliang Wang e colegas da Universidade Grenoble Alpes (França).
[Imagem: Wang et al. - 10.1038/s41565-023-01368-5]

Elétrons voadores

Os colisores em um chip integram as fontes de elétron único, um mecanismo de temporização de disparo ultrapreciso, e os detectores de elétron único, que registram os resultados da colisão.

Um par de elétrons é gerado por duas fontes separadas e colocado em caminhos que se cruzam, para que uma colisão possa ocorrer. Se as fontes estiverem sincronizadas com precisão, a interação entre os dois elétrons na encruzilhada determinará qual caminho cada um deles tomará.

É por isso que é importante manter um mecanismo de relógio com precisão na faixa dos picossegundos (10^-12 segundo), para que os elétrons sejam disparados com precisão suficiente para se encontrarem.

Colisor de elétrons construído por Jonathan Fletcher e colegas do Laboratório Nacional de Física (Reino Unido).
[Imagem: Fletcher et al. - 10.1038/s41565-023-01369-4]

CPU quântica independente

Apesar da brevidade do encontro dos dois elétrons, as equipes construíram aparatos que permitem rastrear as trajetórias das partículas e, mais importante, controlar a interação dos dois elétrons.

Estas demonstrações de interação de elétrons resolvidas no tempo não apenas mostram que elétrons relativísticos podem ser usados como um sensor ou como um interruptor ultrarrápido, como também demonstra um mecanismo acessível para gerar o fenômeno do entrelaçamento quântico, um componente chave da computação quântica e de outras tecnologias quânticas.

"Os qubits de elétrons voadores são vistos como um potencial link de informação dentro de um computador quântico, mas também promete - assim como as abordagens fotônicas similares - uma unidade de processamento quântico independente. Em contraste com seu equivalente fotônico, as implementações de elétron-óptica quântica estão sujeitas à interação de Coulomb, que fornece uma rota direta para emaranhar o grau de liberdade do orbital ou do spin," escreveram Junliang Wang e seus colegas.

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