Qubits magnéticos: cientistas desenvolvem nova maneira de manipular estados quânticos

Pesquisadores da ETH Zurich mostraram como correntes polarizadas por spin podem controlar precisamente estados quânticos em spins de elétrons, oferecendo um novo método para manipular bits quânticos em computação avançada.

Os elétrons possuem um momento angular intrínseco conhecido como spin, permitindo que eles se alinhem com um campo magnético, semelhante a como uma agulha de bússola funciona. Além de sua carga elétrica, que influencia seu comportamento em circuitos eletrônicos, o spin dos elétrons é cada vez mais utilizado para armazenamento e processamento de dados.

Já agora, é possível comprar elementos de memória MRAM (memórias magnéticas de acesso aleatório), nos quais as informações são armazenadas em ímãs muito pequenos, mas ainda clássicos – ou seja, contendo muitos spins de elétrons. Os MRAMs são baseados em correntes de elétrons com spins alinhados em paralelo que podem mudar a magnetização em um ponto específico de um material.

Pietro Gambardella e seus colaboradores na ETH Zurich agora mostram que tais correntes polarizadas por spin também podem ser usadas para controlar os estados quânticos de spins de elétrons individuais. Seus resultados, que acabaram de ser publicados no periódico científico Ciênciapoderia ser usado em diferentes tecnologias no futuro, por exemplo, no controle de estados quânticos de bits quânticos (qubits).

Correntes de túnel em moléculas individuais

“Tradicionalmente, os spins dos elétrons são manipulados usando campos eletromagnéticos como ondas de radiofrequência ou micro-ondas”, diz Sebastian Stepanow, um cientista sênior no laboratório de Gambardella. Essa técnica, também conhecida como ressonância paramagnética de elétrons, foi desenvolvida já em meados da década de 1940 e desde então tem sido usada em diferentes campos, como pesquisa de materiais, química e biofísica. “Alguns anos atrás, foi demonstrado que é possível induzir ressonância paramagnética de elétrons em átomos individuais; no entanto, até agora o mecanismo exato para isso não está claro”, diz Stepanow.

Esquerda: Moléculas únicas de pentaceno (amarelo) na camada isolante (azul). Direita: Elétrons com spins alinhados em paralelo (pequenas setas) fazem um túnel da ponta de tungstênio (topo) para a molécula (embaixo). Crédito: ETH Zürich / Aishwarya Vishwakarma und Stepan Kovarik

Para estudar os processos mecânicos quânticos por trás desse mecanismo mais de perto, os pesquisadores prepararam moléculas de pentaceno (um hidrocarboneto aromático) em um substrato de prata. Uma fina camada isolante de óxido de magnésio havia sido previamente depositada no substrato. Essa camada garante que os elétrons na molécula se comportem mais ou menos como se estivessem no espaço livre.

Usando um microscópio de tunelamento de varredura, os pesquisadores primeiro caracterizaram as nuvens de elétrons na molécula. Isso implica medir a corrente que é criada quando os elétrons fazem o tunelamento quântico mecanicamente da ponta de uma agulha de tungstênio para a molécula. De acordo com as leis da física clássica, os elétrons não deveriam ser capazes de saltar através da lacuna entre a ponta da agulha e a molécula porque eles não têm a energia necessária. A mecânica quântica, no entanto, permite que os elétrons façam o “tunelamento” através da lacuna apesar dessa falta, o que leva a uma corrente mensurável.

Ímã em miniatura na ponta de uma agulha

Esta corrente de túnel pode ser polarizada por spin usando primeiro a ponta de tungstênio para pegar alguns átomos de ferro, que também estão na camada isolante. Na ponta, os átomos de ferro criam uma espécie de ímã em miniatura. Quando uma corrente de túnel flui através deste ímã, os spins dos elétrons na corrente se alinham todos paralelamente à sua magnetização.

Agora, os pesquisadores aplicaram uma voltagem constante, bem como uma voltagem de oscilação rápida à ponta de tungstênio magnetizada, e mediram a corrente de túnel resultante. Ao variar a força de ambas as voltagens e a frequência da voltagem oscilante, eles foram capazes de observar ressonâncias características na corrente de túnel. A forma exata dessas ressonâncias permitiu que eles tirassem conclusões sobre os processos que ocorreram entre os elétrons de tunelamento e aqueles da molécula.

Controle de spin direto por correntes polarizadas

A partir dos dados, Stepanow e seus colegas conseguiram extrair dois insights. Por um lado, os spins dos elétrons na molécula de pentaceno reagiram ao campo eletromagnético criado pela voltagem alternada da mesma forma que na ressonância paramagnética de elétrons comum. Por outro lado, a forma das ressonâncias sugeriu que havia um processo adicional que também influenciava os spins dos elétrons na molécula.

“Esse processo é o chamado torque de transferência de spin, para o qual a molécula de pentaceno é um sistema modelo ideal”, diz o aluno de doutorado Stepan Kovarik. O torque de transferência de spin é um efeito no qual o spin da molécula é alterado sob a influência de uma corrente polarizada por spin sem a ação direta de um campo eletromagnético. Os pesquisadores do ETH demonstraram que também é possível criar estados de superposição mecânica quântica do spin molecular dessa maneira. Esses estados de superposição são usados, por exemplo, em tecnologias quânticas.

“Esse controle de spin por correntes polarizadas por spin no nível quântico abre várias aplicações possíveis”, diz Kovarik. Em contraste com os campos eletromagnéticos, as correntes polarizadas por spin agem muito localmente e podem ser direcionadas com uma precisão de menos de um nanômetro. Essas correntes poderiam ser usadas para abordar elementos de circuitos eletrônicos em dispositivos quânticos de forma muito precisa e, assim, por exemplo, controlar os estados quânticos de qubits magnéticos.

Referência: “Ressonância paramagnética eletrônica acionada por torque de spin de um único spin em uma molécula de pentaceno” por Stepan Kovarik, Richard Schlitz, Aishwarya Vishwakarma, Dominic Ruckert, Pietro Gambardella e Sebastian Stepanow, 20 de junho de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adh4753