Cientistas criam material quântico onde eletricidade flui sem gerar calor pela primeira vez

Uma equipe de físicos alcançou um feito histórico que pode alterar o futuro do hardware e da computação de alto desempenho no futuro próximo. Pela primeira vez, cientistas demonstraram a existência de um material quântico sem perda de energia onde a eletricidade flui livre de resistência e, consequentemente, sem gerar calor.

O estudo, publicado na renomada revista Nature, detalha o uso de bicamadas torcidas de um composto específico para criar o que é chamado de “isolante de Chern fracionário” livre de dissipação.

Se você é entusiasta de PC e sofre com temperaturas altas em processadores ou placas de vídeo, sabe que o calor é o principal inimigo da performance. Portanto, a nova descoberta ataca a raiz do problema: a resistência elétrica. Em condutores comuns, como o cobre ou o ouro, os elétrons colidem com átomos e impurezas, gerando calor (Efeito Joule).

No novo estado da matéria descoberto, os elétrons fluem de maneira organizada e protegida pelas leis da topologia, como se estivessem em uma rodovia expressa sem trânsito.

A pesquisa inaugura a era da eletrônica topológica, com potencial para alterar o consumo energético e a estabilidade de computadores quânticos

Como funciona o material quântico sem perda de energia?

O material utilizado pelos pesquisadores é o diteleneto de molibdênio (MoTe2). A inovação está na forma como ele é montado: duas camadas atômicas são empilhadas e levemente torcidas uma sobre a outra. A configuração cria um padrão de interferência chamado “Moiré“, que altera o comportamento dos elétrons.

De acordo com o estudo liderado por Heonjoon Park e Xiaodong Xu, da Universidade de Washington, o dispositivo exibiu resistência longitudinal nula. Isso quer dizer que a corrente elétrica atravessou o material sem perder absolutamente nada de sua intensidade.

Diferente de supercondutores tradicionais que exigem campos magnéticos intensos, este efeito foi observado em campo zero, um avanço determinante para futuras aplicações práticas.

Diferenças para a condutividade comum

• Fluxo topológico: os elétrons se movem pelas bordas do material sem ricochetear, impedindo a dissipação de energia.

• Estabilidade: o estado quântico se mantém robusto mesmo sem campos magnéticos externos.

• Eficiência Total: teoricamente, um processador feito com essa tecnologia não precisaria de ventoinhas ou water coolers, pois não geraria calor residual.

O fim do superaquecimento?

A dissipação de calor é o maior gargalo da indústria de tecnologia atual. Data Centers gastam fortunas com refrigeração, e chips de Silício atingiram um limite físico onde aumentar a frequência resulta em derretimento dos componentes.

A implementação de um material quântico sem perda de energia eliminaria a necessidade do gerenciamento térmico como o conhecemos.

Embora o experimento tenha sido realizado em temperaturas criogênicas (cerca de 20 a 55 Kelvin, ou -253°C a -218°C), isso representa um salto enorme em comparação aos sistemas que exigem temperaturas próximas do zero absoluto.

A descoberta abre caminho para a “eletrônica topológica“, que pode operar com consumo energético ínfimo.

Além de revolucionar o consumo de energia em dispositivos móveis e PC paras jogos, essa tecnologia é a base para computadores quânticos topológicos, que seriam muito mais estáveis e livres de erros do que os modelos atuais.

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Viabilidade real e quanto tempo para virar hardware “de verdade”

O que foi mostrado até aqui é forte para física de materiais, mas ainda está longe de “acabar com o calor” em CPU/GPU do jeito que a manchete sugere.

O motivo de isso não virar “interconector frio” amanhã:

• Temperatura ainda é criogênica: os próprios autores estimam escalas energéticas (gaps) da ordem de ~20 K (gap do FCI) e ~55 K (gap de spin) no melhor caso reportado, que bate com a faixa criogênica mencionada nas discussões do trabalho. Isso é melhor do que “colado no zero absoluto”, mas continua sendo freezer de laboratório/cryostat, não gabinete gamer.

• Não é um fio de cobre melhorado: o transporte “perfeito” acontece em modos de borda (edge states) de um sistema 2D extremamente limpo. Isso não se traduz diretamente em substituir trilhas e vias metálicas de um chip moderno, que carregam correntes grandes e atravessam camadas 3D complexas.

• Fabricação é delicada: moiré/twist exige controle fino de ângulo, tensão, alinhamento e qualidade cristalina. O trabalho “sem dissipação” aparece justamente quando a qualidade do dispositivo sobe muito. Ótimo sinal científico, mas ainda um gargalo de manufatura em escala.

• Integração com CMOS é outra guerra: mesmo que você faça o material repetível, ainda falta transformar isso em arquiteturas de circuito, contatos, encapsulamento, variabilidade, confiabilidade e yield compatíveis com linhas industriais.

O que dá para esperar de agora em diante

• 2 a 5 anos: mais grupos repetindo, melhorando gaps/robustez, explorando leituras ópticas/controle e protótipos de dispositivos para ciência (metrologia, padrões de resistência Hall anômala fracionária, plataformas para estudar anyons).

• 5 a 10 anos: aplicações bem nichadas em criogenia, onde já existe refrigeração (instrumentação quântica, interconexões locais em setups de laboratório, componentes “topológicos” para pesquisa de computação quântica tolerante a falhas).

• 10 a 20+ anos (se tudo der muito certo): qualquer chance de algo “tipo industrial” que encoste em eletrônica de consumo/HPC. Para isso, teria que rolar um combo difícil: temperaturas mais altas, processo repetível em wafer, correntes úteis, compatibilidade com fabricação existente e custo aceitável.

Então, sim: estamos diante de um passo real em “eletrônica topológica” e em estados que interessam para computação quântica topológica. Mas a ponte até “CPU sem cooler” ainda passa por vários degraus fundamentais e o maior deles continua sendo operar em temperaturas muito mais próximas do ambiente sem perder o efeito.

Fonte(s): Nature

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Fonte: Adrenaline