Vem aí a eletrônica dos nós

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/10/2020

A novidade chama-se "nós nodais no espaço de momento".
[Imagem: SUTD]

Tecnologia dos nós

Toda a eletrônica que dá suporte à nossa tecnologia depende fundamentalmente de fenômenos que ocorrem na interface entre materiais semicondutores, isolantes e metálicos.

Indo além, a próxima geração da tecnologia eletrônica envolverá os chamados "materiais topológicos" - ou isolantes topológicos -, materiais nos quais tudo acontece na sua superfície, e não no seu interior, abrindo caminho para computações mais rápidas, gastando menos energia e alcançando novos patamares de miniaturização - até um sucessor do transístor já foi criado usando essa nova tecnologia.

Mas acaba de entrar no circuito um participante inusitado: Um nó.

Pesquisadores da Alemanha, Cingapura e China acabam de demonstrar que dar nó nos materiais tipicamente usados na eletrônica permite um novo patamar de controle e eficiência na realização de computações.

"A comunidade científica já percorreu um longo caminho na descoberta de fases exóticas da matéria. Mais de uma década atrás, o primeiro isolante topológico foi sintetizado, marcando a primeira vez que fenômenos robustos protegidos topologicamente foram detectados em um material real. Hoje, nós não apenas projetamos um sistema topológico sofisticado baseado em estruturas com nós, como também o produzimos com componentes elétricos onipresentes e de baixo custo," disse o professor Ching Lee, da Universidade Nacional de Cingapura.

As propriedades topológicas das fitas eletrônicas mudam conforme a geometria do nó.
[Imagem: Ching Hua Lee et al. - 10.1038/s41467-020-17716-1]

Nós eletrônicos

Os nós podem ter sido uma das primeiras invenções humanas, mas o significado científico e matemático dos nós só foram descobertos há cerca de 200 anos.

Matemáticos famosos, como Carl Frederich Gauss e Peter Guthrie Tait, desenvolveram as receitas gerais para a construção de diferentes nós e as regras matemáticas que governam as classificações dos nós de acordo com seus comportamentos matemáticos.

Hoje, a teoria dos nós forma um dos pilares centrais em muitas áreas, incluindo ciência da computação, biologia molecular, dobramento de proteínas, engenharia de DNA e descoberta de medicamentos.

Curiosamente, as propriedades eletrônicas de um tipo peculiar de metal - conhecido como semimetal de nós nodais - podem apresentar comportamentos complexos que imitam matematicamente os nós. Esses nós peculiares são conhecidos como nós de espaço de momento, que surgem quando várias fitas do material estão entrelaçadas e emaranhadas - espaço de momento, em contraposição ao espaço comum de coordenadas, é o conjunto de todos os vetores de momento que um espaço físico pode ter.

Simplificando, esse conceito de fitas eletrônicas fornece uma imagem física que é particularmente útil para descrever as propriedades eletrônicas dos sólidos.

Por exemplo, sólidos eletricamente isolantes normalmente têm "fitas" que são bem separadas por espaços vazios - esses vazios no espaço de momento servem como uma "zona de ninguém", impedindo o fluxo de eletricidade e dando ao material a propriedade de isolante elétrico. Por outro lado, a abundância relativamente grande de faixas eletrônicas e a ausência de vazios nos metais permitem que a eletricidade flua através delas com mais facilidade, tornando o material um bom condutor elétrico.

O que torna os semimetais de nó nodal especialmente incomuns quando comparados aos metais normais é que as faixas eletrônicas se entrelaçam e se enredam para formar estruturas em nó no espaço de momento. E isso é matematicamente equivalente aos nós que encontramos na vida cotidiana.

A equipe conseguiu medir os nós eletrônicos usando circuitos extremamente simples.
[Imagem: Ching Hua Lee et al. - 10.1038/s41467-020-17716-1]

Circuitos topolétricos

A grande novidade agora é que a equipe conseguiu sintetizar e medir os nós de espaço de momento usando circuitos feitos com componentes eletrônicos simples e baratos, viabilizando pela primeira vez o estudo e exploração desses materiais tão inusitados e seus comportamentos surpreendentes.

"Os efeitos topológicos exigem valores muito precisos dos componentes indutores/capacitores. Para neutralizar essa dificuldade, usamos o aprendizado de máquina para encontrar variações do projeto do circuito que apresentam os mesmos fenômenos topológicos, mas podem ser construídos usando peças feitas com menos precisão," disse a pesquisadora Amanda Sustrino.

Auxiliada pelos algoritmos de aprendizado de máquina, a equipe projetou circuitos topolétricos operando em "pontos ideais" que são particularmente robustos contra ruídos elétricos. Este novo design permitiu que as assinaturas elétricas típicas dos "nós eletrônicos" fossem identificadas de forma inequívoca com um circuito eletrônico extremamente simples - para comparação, essas medições até agora só podiam ser feitas em linhas de luz de raios X síncrotron e ambientes de alto vácuo.

"A capacidade de controlar o circuito elétrico usando a topologia pode oferecer uma nova rota para o processamento de sinais elétricos, sensoriamento remoto e processamento digital de informações usando componentes baratos e de baixa potência. Esses aspectos podem ser extremamente importantes para tecnologias futuras, como internet das coisas e os sucessores das redes 5G," disse o professor Yee Ang.

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