Transístor atômico faz ponte entre computação eletrônica e quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/12/2009

Micrografia eletrônica do transístor quântico de um único átomo de fósforo sobre silício.
[Imagem: Tan et al./Nano Letters]

Zona nebulosa

Em um feito que pode ser considerado como a fronteira final da eletrônica - uma fronteira larga, mais parecida com uma zona "neutra," onde eletrônica, spintrônica e computação quântica convivem quase harmoniosamente - um grupo de cientistas finlandeses e australianos construiu um transístor cuja região ativa é formada por um único átomo de fósforo.

Um elemento importante do experimento vem do fato de que o transístor de elétron único foi construído sobre silício. Em realizações anteriores, um transístor atômico e um transístor molecular foram construídos em configurações de laboratório, de difícil reprodução.

Tunelamento quântico

O transístor de um único átomo funciona com base no tunelamento sequencial de elétrons individuais entre o átomo de fósforo e os eletrodos do transístor. O tunelamento pode ser liberado ou suprimido controlando-se a tensão no terceiro eletrodo, que possui uma largura de algumas dezenas de nanômetros.

Tunelamento é um efeito quântico que permite que um elétron - ou outra partícula - atravesse uma barreira. Isso é possível porque os elétrons apresentam comportamento tanto de partícula quanto de onda.

Ao se deparar com uma barreira clássica, uma partícula é sempre refletida; na mecânica quântica, a função de onda dessa partícula/onda não assume um valor zero instantaneamente, o que significa que ela pode atravessar a barreira, dependendo de sua energia e da espessura da barreira.

Limite entre clássico e quântico

Ao construir um transístor que funciona com base em princípios quânticos, os cientistas estão na verdade caminhando em um campo que é uma "zona neutra" entre a computação eletrônica e a computação quântica.

Na verdade, é essa "zona neutra" o grande empecilho para a miniaturização contínua dos transistores. Abaixo de determinadas dimensões, hoje calculadas em torno dos 10 nanômetros, os transistores passam a sofrer influência dos efeitos da mecânica quântica, que alteram seu funcionamento.

Mas se, de um lado, os efeitos quânticos destroem as regras do comportamento clássico dos transistores eletrônicos, por outro eles apresentam comportamentos que podem ser utilizados em um tipo de computação que é conceitualmente muito mais eficiente - a computação quântica.

De transístor a qubit

As esferas vermelha e amarela ilustram os estados "para cima" e "para baixo" do spin de um elétron, que induz as linhas de alta condução claramente visualizadas na imagem.
[Imagem: Tan et al./Nano Letters]

"De fato, nosso objetivo não era construir o menor transístor possível para um computador clássico, mas um bit quântico que poderá se tornar o coração de um computador quântico, um objetivo que está sendo perseguido por vários grupos ao redor do mundo," conta o Dr. Mikko Mottonen, da Universidade de Tecnologia de Helsinque. Ele fabricou o transístor quântico em colaboração com colegas das universidades de Nova Gales do Sul e Melbourne, na Austrália.

A ideia dos cientistas é utilizar o grau de liberdade do spin de um elétron cedido pelo átomo de fósforo como um bit quântico - como esse spin pode ser "up" ou "down", ele pode ser usado para representar os 0s e 1s digitais, formando um bit quântico, ou qubit.

A equipe foi capaz de medir os estados "para cima" e "para baixo" dos elétrons tunelando pelo átomo de fósforo, demonstrando a possibilidade de sua utilização prática como um qubit.

Para conhecer pesquisas nesta mesma área de fronteira, veja Transístor faz operação com um único elétron e Criado transístor mecânico que funciona com um único elétron.

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