Uma equipa de investigação do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveu uma nova técnica capaz de rearranjar rapidamente dezenas de milhares de átomos no interior de materiais à temperatura ambiente, ultrapassando a limitação dos últimos 30 anos, em que a manipulação atómica estava restrita à superfície dos materiais. Esta descoberta foi publicada recentemente na revista Nature, abrindo um caminho totalmente novo para o design personalizado de materiais quânticos.
A técnica permite, pela primeira vez, mover com precisão dezenas de milhares de átomos no espaço tridimensional, sem necessidade de vácuo extremo ou ambientes a temperaturas ultrabaixas. A equipa de investigação utilizou um microscópio eletrónico de alta energia, em conjunto com um algoritmo de precisão desenvolvido internamente, para controlar a trajetória do feixe de eletrões com precisão ao nível do picómetro, construindo mais de 40.000 estruturas de defeitos artificiais no interior do cristal, como uma "fotocopiadora à escala atómica". A experiência utilizou o semicondutor em camadas sulfureto de crómio e bromo como suporte, deslocando colunas atómicas através da oscilação do feixe de eletrões para formar matrizes de defeitos de vacância com propriedades quânticas especiais.
Em comparação com as técnicas tradicionais de manipulação atómica de superfície, o novo método alcança três grandes avanços: a dimensão de operação expande-se de bidimensional para tridimensional, a adaptabilidade ambiental melhora de temperaturas ultrabaixas para a temperatura ambiente e a eficiência de processamento aumenta em várias ordens de grandeza. O feito dos cientistas da IBM em 1989, que demoraram vários dias a organizar átomos para formar a palavra "IBM", pode agora ser realizado numa escala ainda maior em apenas dezenas de minutos. Mais importante ainda, as estruturas atómicas enterradas no interior do material evitam problemas de oxidação e contaminação superficial, estabelecendo as bases para dispositivos quânticos práticos.
A equipa de investigação resolveu os principais desafios técnicos através da otimização de algoritmos. O sistema de posicionamento do feixe de eletrões consegue rastrear a posição dos átomos em tempo real com uma dose de eletrões extremamente baixa, realizando manipulação dinâmica sem danificar o cristal. Este "bisturi atómico" pode controlar com precisão o espaçamento dos defeitos e a configuração espacial, podendo, em teoria, simular os modos de interação eletrónica de moléculas complexas. Esta capacidade torna possível "escrever" estados quânticos projetados artificialmente em materiais sólidos.
Experiências preliminares já demonstraram o enorme potencial desta técnica. Em arranjos específicos, os defeitos artificiais exibem propriedades magnéticas e óticas únicas. Estes estados da matéria, inexistentes na natureza, podem ser usados para desenvolver novos sensores, memórias de alta densidade e componentes de computação quântica. Como as estruturas de defeitos estão encapsuladas no interior do cristal, a sua estabilidade é muito superior à das estruturas de superfície, tornando-as mais adequadas para cenários de aplicação prática.
Atualmente, a equipa está empenhada em expandir a gama de materiais aplicáveis. Além dos semicondutores à base de crómio, estão também a explorar a possibilidade de manipulação atómica noutros materiais em camadas. Esta tecnologia não só fornece uma nova ferramenta para a investigação das propriedades quânticas, como também inaugura um novo modo de "fabrico à escala atómica" — personalizar as propriedades físicas de um material reescrevendo diretamente o arranjo atómico no seu interior, o que poderá desencadear uma revolução na próxima geração de tecnologias da informação.
O "bisturi atómico" nas mãos dos cientistas recebeu uma importante atualização técnica. No passado, para ajustar o arranjo dos átomos no interior de um material, dependia-se frequentemente de meios coercivos "de fora para dentro", como altas temperaturas e altas pressões. Agora, a nova técnica de "bisturi atómico" pode alterar diretamente o arranjo atómico "de dentro para fora" de forma mais eficiente à temperatura ambiente, permitindo assim o controlo das propriedades do material. Isto significa que os cientistas podem controlar com precisão a estrutura e os defeitos no interior de um material, e até "escrever" uma função específica no material. Isto abre uma porta totalmente nova para o design de novos materiais sob encomenda e promete fornecer um suporte importante para os avanços da próxima geração de tecnologias da informação.