Controle fino do spin de elétrons para computação quântica

Destaque em Física, semana de 24 de agosto de 2017

destaque 24082017Uma das perspectivas da computação quântica é usar propriedades de partículas para realizar processamento e armazenamento de informações. Em princípio, isso poderia gerar computadores vastamente mais rápidos e eficientes que os atuais (pelo menos para alguns tipos de cálculo) e produzir formas de comunicação seguras e invioláveis, entre outras aplicações. Mas há desafios em como controlar e manipular adequadamente esses estados quânticos.

Nesse sentido, um trabalho importante acaba de ser publicado por um grupo de pesquisadores na Suíça, no Brasil e nos Estados Unidos. Ele versa sobre como controlar a chamada interação spin-órbita em elétrons.

"Em anos recentes, o spin dos elétrons tem sido utilizado para armazenar informação e possivelmente para ser um qubit no contexto de computação quântica", explica Carlos Egues, pesquisador do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP) e co-autor do estudo. "E o spin do elétron pode afetar o próprio movimento do elétron. Essa interação é chamada de interação spin-órbita."

Essa é uma consequência muito interessante porque, se há um chamado "acoplamento" entre spin e movimento, ao induzir um elétron a mudar de lugar, com a geração de um campo elétrico, é possível controlar o próprio spin. E, isso, claro, é de grande interesse para computação quântica.

Em seu artigo publicado no "Physical Review X" em 18 de julho, Florian Dettwiler, da Universidade da Basileia, na Suíça, e seus colegas se concentraram na investigação de uma nanoestrutura de semicondutores bastante comum, o chamado poço quântico em arsenieto de gálio (AsGa), onde os elétrons ficam confinados em uma região bidimensional, ou seja, seu movimento está limitado a um único plano. Nele, existem dois tipos de interação spin-órbita, uma conhecida como Rashba e outra como Dresselhaus, em homenagem a seus primeiros investigadores.

Combinando experimentos e simulações, os pesquisadores mostraram que é possível controlar precisamente tanto a intensidade da interação de Rashba quanto a de Dresselhaus. "Em particular, mostramos ser possível sintonizá-las para ter exatamente o mesmo valor, e não apenas em um ponto particular do espaço de parâmetros do sistema. Mostramos que é possível ter os acoplamentos emparelhados e idênticos em uma faixa ampla de densidade de elétrons e voltagens aplicadas", conta Egues.

E por que isso seria importante? "Mostrou-se já há alguns anos que, quando as constantes de acoplamento são idênticas, é possível criar no sistema texturas de spins que são robustas quando formadas", diz o pesquisador brasileiro, completando que já se havia demonstrado essas texturas helicoidais experimentalmente, mas apenas em um único ponto do "espaço de parâmetros" do sistema. No novo trabalho, os pesquisadores mostraram que é possível obter o mesmo resultado, mas em uma faixa ampla de parâmetros. "Com isso, vislumbramos a possibilidade de gerar texturas de spin que podem ser 'esticadas' como se fossem elásticas, apenas pela aplicação de 'gates' (ou tensões) apropriados."

Essas texturas, por sua vez, podem ser muito importantes para transferir informação num sistema de computação quântica – uma escala, que no caso, é de cerca de 20 micrômetros. Um importante avanço.

O lado teórico do trabalho foi todo feito no IFSC-USP, por Egues e seu então pós-doutorando, Jiyong Fu, que hoje é professor visitante na UnB (Universidade de Brasília).

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