Fractais como solução para uso ineficiente de energia no processamento de informações
E se pudéssemos encontrar uma maneira de fazer fluir as correntes elétricas, sem perda de energia? Uma abordagem promissora para isso envolve o uso de materiais conhecidos como isolantes topológicos. Sabe-se que eles existem em uma dimensão (fio), duas (folha) e três (cubo); todos com diferentes aplicações possíveis em dispositivos eletrônicos. Físicos teóricos da Universidade de Utrecht, juntamente com experimentalistas da Universidade Jiao Tong de Xangai, descobriram que isoladores topológicos também podem existir em dimensões de 1,58, e que estes poderiam ser usados para processamento de informação com eficiência energética. Seu estudo foi publicado em Física da Natureza hoje.
Os bits clássicos, as unidades de operação do computador, são baseados em correntes elétricas: elétrons rodando significa 1, nenhum elétron rodando significa 0. Com uma combinação de 0s e 1s, é possível construir todos os dispositivos que você usa no dia a dia, desde celulares para computadores. Porém, durante a execução, esses elétrons encontram defeitos e impurezas no material e perdem energia. Isto é o que acontece quando o seu dispositivo esquenta: a energia é convertida em calor e, assim, a bateria esgota-se mais rapidamente.
Um novo estado da matéria
Isoladores topológicos são materiais especiais que permitem o fluxo de corrente sem perda de energia. Eles só foram descobertos em 1980 e sua descoberta recebeu o Prêmio Nobel. Revelou um novo estado da matéria: por dentro, os isoladores topológicos são isolantes, enquanto nas suas fronteiras circulam correntes. Isto os torna muito adequados para aplicação em tecnologias quânticas e pode reduzir enormemente o consumo mundial de energia. Só havia um problema: essas propriedades só foram descobertas na presença de campos magnéticos muito fortes e temperaturas muito baixas, em torno de 270 graus Celsius negativos, o que as tornava inadequadas para uso no dia a dia.
Nas últimas décadas, houve um progresso significativo para superar essas limitações. Em 2017, pesquisadores descobriram que uma camada bidimensional de bismuto com espessura de um único átomo exibia todas as propriedades corretas em temperatura ambiente, sem a presença de um campo magnético. Esse avanço trouxe o uso de isolantes topológicos em dispositivos eletrônicos para mais perto da realidade.
Brócolis Romanesco
A área de investigação recebeu um impulso extra em 2022 com uma subvenção Gravitação de mais de 20 milhões de euros para o consórcio QuMAT. Neste consórcio, físicos teóricos da Universidade de Utrecht, juntamente com experimentalistas da Universidade Jiao Tong de Xangai, demonstraram agora que muitos estados sem perda de energia podem existir algures entre uma e duas dimensões. Nas dimensões 1,58, por exemplo. Pode ser difícil imaginar dimensões de 1,58, mas a ideia é mais familiar do que você pensa. Essas dimensões podem ser encontradas em estruturas fractais, como os pulmões, a rede de neurônios do cérebro ou os brócolis Romanesco. São estruturas que se dimensionam de maneira diferente dos objetos normais, chamadas de “estruturas autossimilares”: se você aumentar o zoom, verá a mesma estrutura repetidas vezes.
O melhor dos dois mundos
Ao cultivar um elemento químico (bismuto) sobre um semicondutor (antimoneto de índio), os cientistas na China obtiveram estruturas fractais que foram formadas espontaneamente, ao variar as condições de crescimento. Os cientistas em Utrecht então mostraram teoricamente que, a partir dessas estruturas, modos de canto de dimensão zero e estados de borda unidimensionais sem perdas emergiram. “Ao olhar entre dimensões, encontramos o melhor dos dois mundos”, diz Cristiane Morais Smith, que lidera a pesquisa teórica na Universidade de Utrecht. “Os fractais se comportam como isolantes topológicos bidimensionais em energias finitas e, ao mesmo tempo, exibem, em energia zero, um estado em seus cantos que poderia ser usado como um qubit, os blocos de construção de computadores quânticos. Portanto, a descoberta abre novos caminhos para os qubits há muito desejados.”
Intuição
Curiosamente, a descoberta foi o resultado de um pressentimento. “Quando visitei a Universidade Jiao Tong de Xangai e vi as estruturas produzidas pelo grupo, fiquei muito entusiasmado”, diz Morais Smith. “Minha intuição me dizia que as estruturas deveriam apresentar todas as propriedades corretas.” Ela então voltou para Utrecht e discutiu o problema com seus alunos, que ficaram muito interessados em fazer os cálculos. Juntamente com o aluno de mestrado Robert Canyellas, o seu ex-candidato ao doutoramento Rodrigo Arouca (agora na Universidade de Uppsala) e o atual candidato ao doutoramento Lumen Eek, a equipa teórica conseguiu explicar as experiências e confirmar as novas propriedades.
Dimensões desconhecidas
Na pesquisa de acompanhamento, o grupo experimental na China tentará desenvolver um supercondutor no topo da estrutura fractal. Esses fractais têm muitos buracos e há correntes sem perdas circulando em torno de muitos deles. Eles poderiam ser usados para processamento de informações com eficiência energética. As estruturas também apresentam modos de energia zero em seus cantos, combinando assim o melhor dos mundos unidimensional e bidimensional, segundo Morais Smith. “Se isto funcionar, poderá revelar ainda mais segredos inesperados escondidos na dimensão 1,58”, diz ela. “As características topológicas dos fractais realmente mostram a riqueza de entrar em dimensões desconhecidas.”