Construída primeira bateria quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica

A primeira bateria de fase quântica prática é constituída por um nanofio de arseneto de índio (InAs) em contato com supercondutores de alumínio.
[Imagem: Andrea Iorio]

Bateria spintrônica

As baterias estão por toda a parte, dos aparelhos eletrônicos às ferramentas e carros.

Essas baterias clássicas, ou pilhas de Volta, convertem energia química em uma tensão elétrica, que "empurra" os elétrons na forma de uma corrente, usada então para alimentar os aparelhos.

Em muitas tecnologias quânticas, os componentes e circuitos são baseados em materiais supercondutores, nos quais as correntes elétricas podem fluir sem a necessidade de aplicar uma tensão; portanto, não há necessidade de uma bateria clássica nesses sistemas.

Essas correntes elétricas são chamadas supercorrentes porque não apresentam perdas de energia. Elas são induzidas não a partir de uma tensão, mas a partir de uma diferença de fase da função de onda do circuito quântico, o que está diretamente relacionada à natureza de onda da matéria - dos elétrons, mas especificamente.

Assim, por analogia, um dispositivo capaz de fornecer uma diferença de fase persistente pode ser chamado de "bateria de fase quântica", já que ela induz supercorrentes em um circuito quântico.

E foi justamente essa bateria quântica que Elia Strambini e seus colegas da Espanha e da Itália acabam de construir, depois de terem demonstrado os princípios teóricos que fundamentam seu funcionamento.

Bateria de fase quântica

A bateria de fase quântica - ou bateria de fase Josephson - consiste em uma combinação de materiais supercondutores e magnéticos que, juntos, apresentam um efeito relativístico intrínseco, chamado acoplamento spin-órbita.

Essa conexão entre eletricidade e magnetismo só foi descoberta muito recentemente, mas já está na base de tecnologias emergentes, como a spintrônica.

Strambini identificou agora uma combinação de materiais adequada para explorar esse efeito, o que permitiu que ele e seus colegas fabricassem a primeira bateria de fase quântica.

Ela consiste em um nanofio de arseneto de índio (InAs), um semicondutor composto de índio e arsênico. Quando dopado com cargas negativas, esse semicondutor se transforma no núcleo da bateria - a pilha -, enquanto cabos supercondutores de alumínio conectados a ele se tornem os pólos da bateria.

Outra diferença em relação às baterias clássicas é que a bateria quântica é carregada aplicando-lhe um campo magnético, e não um campo elétrico - e a bateria quântica recarrega-se quase instantaneamente.

Esquema da bateria de Josephson e foto do primeiro protótipo.
[Imagem: Elia Strambini et al. - 10.1038/s41565-020-0712-7]

Tecnologias quânticas

A importância da construção da bateria quântica pode ser facilmente compreendida pela analogia com as tecnologias clássicas, com as baterias e capacitores - que também são armazenadores de cargas elétricas - presentes desde os primeiros passos da indústria eletrônica.

A expectativa é que esta inovação contribua para virtualmente todas as tecnologias quânticas, das técnicas de computação e detecção, até a medicina e as telecomunicações. O esforço agora será otimizar o funcionamento da bateria de fase quântica.

Bibliografia:

Artigo: A Josephson phase battery
Autores: Elia Strambini, Andrea Iorio, Ofelia Durante, Roberta Citro, Cristina Sanz-Fernández, Claudio Guarcello, Ilya V. Tokatly, Alessandro Braggio, Mirko Rocci, Nadia Ligato, Valentina Zannier, Lucia Sorba, F. Sebastián Bergeret, Francesco Giazotto
Revista: Nature
DOI: 10.1038/s41565-020-0712-7