O átomo de fósforo
O fósforo (P) é um elemento químico de número atômico 15, massa atômica 30,97 e pertencente à família 15 ou 5ª da tabela periódica. Tal elemento é essencial para os seres vivos, pois compõem as membranas celulares, os ácidos nucleicos (DNA e RNA), os ossos e os dentes. Ponto de fusão em 44,15 °C. O fósforo negro, uma forma estável do fósforo, é um cristal com estrutura sanfonada, composta por camadas bidimensionais de fósforo empilhadas com apenas um átomo de espessura. O material apresenta uma característica chamada anisotropia, pela qual suas propriedades físicas variam dependendo da direção - ou ângulo - do cristal.
O fósforo negro pode, por exemplo, ser usado em transistores, desempenhando as funções lógicas necessárias em sistemas digitais; em detectores de luz, transformando energia luminosa em corrente elétrica para sistemas de comunicações ópticas (fibra óptica) ou para células células fotovoltaicas; e em novos emissores de luz para as comunicações ópticas é possível construir um material que simultaneamente armazena e processa informações de modo semelhante a um cérebro e, ainda mais surpreendente, se adapta.. A maior parte da indústria trabalha hoje na faixa dos 45 nanômetros, com alguns poucos chips sendo feitos na faixa dos 32 nanômetros. A grande meta atual é alcançar os 25 nanômetros. O componente foi construído alinhando os átomos de fósforo, um por um, sobre um cristal único de silício. O nanotransístor tem apenas 7 átomos de comprimento. Para comparação, um transístor de "último tipo", construído com a tecnologia de 25 nanômetros, tem cerca de 42 átomos de comprimento. O componente pode ser usado para regular e controlar o fluxo de corrente elétrica exatamente como um transístor tradicional de silício, representando um passo importante rumo à miniaturização em escala atômica, quando os componentes serão feitos átomo por átomo, ou "de baixo para cima". Mas exatamente o que representa sua grande vantagem - uma miniaturização com potencial para criar processadores super rápidos - é também sua fraqueza - pelo menos por enquanto e tendo-se em vista a aplicação na fabricação dos processadores normais. É que o nanotransístor foi construído movendo os átomos de fósforo um por um, utilizando um microscópio de tunelamento - uma abordagem que não pode ser levada para o ambiente industrial por ser lenta demais. Isto coloca o nanotransístor na categoria dos pontos quânticos, elementos de grande interesse principalmente na área da computação quântica.
Em 1998, Kane (Físico australiano) lançou a idéia de construir um computador quântico que guarde suas informações em átomos dopantes colocados no interior de uma pastilha de silício. Átomos dopantes estão na base de toda a eletrônica atual. São eles que modificam as propriedades eletrônicas do silício e permitem que esse semicondutor funcione como um transístor ou um diodo, por exemplo. Para entender melhor sobre átomos dopantes, vamos entender mais sobre o silício na computação. O silício é o elemento químico fundamental para a era da informação: é de silício que são feitos os componentes eletrônicos que viabilizaram a revolução que o mundo está vivendo com o surgimento da informática e das telecomunicações. Mas, da mesma forma que se necessita do carbono para transformar o ferro em aço, os componentes eletrônicos - transistores, diodos e os chips inteiros - precisam de uma "pitada" de outros elementos. Índio, gálio, arsênio e germânio são acrescentados em doses ínfimas no silício, alterando suas propriedades eletrônicas para que ele possa funcionar como um transistor ou um diodo. Esses elementos são os chamados dopantes, já que alteram o comportamento do silício. Assim, entender o comportamento desses dopantes é essencial para que a indústria continue em seu caminho rumo à miniaturização. Mas havia um problema com a idéia de Kane: até hoje, ninguém havia conseguido ler as informações armazenadas no átomo dopante. Teoricamente seria possível, mas a prática vinha contestando tenazmente a teoria.
Foi aí que entrou a equipe do Dr. Christoph Boehme, da Universidade Utah, Estados Unidos. Os cientistas doparam o silício com átomos de fósforo - um elemento que não é comumente utilizado na dopagem tradicional feita pela indústria eletrônica - conseguindo codificar as informações digitais no spin dos núcleos desses átomos. Campos elétricos aplicados externamente foram então utilizados para ler e processar os dados. O experimento ainda não é preciso o suficiente: os cientistas conseguiram ler o resultado líquido dos spins dos núcleos e elétrons de um aglomerado de 10.000 átomos de fósforo, depositados a apenas 50 átomos da superfície da pastilha de silício. Para a construção de um computador quântico prático será necessário ler o spin de cada núcleo individualmente. Mas o progresso apresentado foi fenomenal: no experimento mais bem-sucedido até então, era possível medir o resultado líquido dos spins de 10 bilhões de átomos. Ou seja, o resultado agora alcançado é 10.000 vezes melhor do que o anterior. Essas pesquisas anteriores foram baseadas em uma técnica de leitura por meio de ressonância magnética. Já a equipe do Dr. Boehme demonstrou a possibilidade de fazer a leitura por meio de uma corrente elétrica - uma corrente coincidentemente 10.000 vezes menor do que a fornecida por uma pilha AA.
Se na computação clássica, o bit é a unidade mais básica para a codificação e processamento da informação, sendo que os bits são representados em elementos 0 e 1 numa disposição de ausência ou presença de carga elétrica. Na computação quântica, por sua vez, de forma quase análoga, o qubit é a unidade de informação, designando o bit quântico, cuja representação envolve dois sistemas de níveis |0⟩ e |1⟩. Na representação quântica, a notação de Dirac é consensualmente usada, dois elementos importantes da notação são o bras (⟨∙|) e kets (|∙⟩). Assim, se no plano cartesiano uma notação vetorial é representada por p= ax + by com x, y ∈R , na mecânica quântica a representação é |p⟩= a|x⟩ + b|x⟩ com x, y ∈C. De forma mais correta, devemos tratar a computação quântica em termos de estados quânticos cuja representação é dada pela fórmula: | |ψ⟩=|α⟩+|β⟩ Na qual, α, β ∈ C;ou ψ=(α,β). Uma diferenciação crucial dos estados vetoriais é a admissão na mecânica quântica da superposição dos estados. Assim, a computação quântica não se limita a dois estados, mas a tantos quantos forem as possíveis combinações de α e β (números complexos) que respeitem a condição de normalização |α|² + |β|² = 1. Conceitos como superposição e emaranhamento estão na base teórica da mecânica quântica e são alvos das principais problemáticas de operacionalização de uma arquitetura computacional quântica.
O spin nuclear é uma propriedade fundamental de partículas subatômicas como elétrons, prótons e nêutrons. É uma forma de momento angular intrínseco, ou seja, é uma propriedade inerente à partícula. O spin está diretamente associado ao magnetismo da partícula através de uma relação com o momento magnético. No caso do núcleo atômico, o que chamamos de spin nuclear é uma propriedade que está associada à combinação de todos os momentos angulares das partículas dentro do núcleo, sejam eles de origem intrínseca (spin) ou orbital (movimento nuclear). O spin nuclear pode ser inteiro ou semi-inteiro e o seu valor depende se o número de massa do núcleo é par ou ímpar1. Por exemplo, para o fósforo-31 (^31P), que é um isótopo comum do fósforo, o spin nuclear é semi-inteiro (1/2), pois o número de massa é ímpar.
O spin nuclear no fósforo refere-se à propriedade quântica dos núcleos de fósforo de girarem em torno de um eixo imaginário. O fósforo tem diferentes isótopos, como o 31P, que têm diferentes números de nêutrons no núcleo. Cada isótopo de fósforo terá um spin nuclear específico. O spin nuclear é uma propriedade importante em ressonância magnética nuclear (RMN), uma técnica poderosa usada em química e bioquímica para determinar a estrutura molecular e a composição de compostos orgânicos e inorgânicos. Na RMN, o spin nuclear é manipulado usando campos magnéticos e pulsos de radiofrequência. Quando um núcleo de fósforo com spin nuclear é colocado em um campo magnético externo, ele alinha seus spins com o campo. A aplicação de pulsos de radiofrequência pode perturbar esse alinhamento, e a maneira como os núcleos relaxam de volta ao estado de equilíbrio após o pulso fornece informações valiosas sobre a estrutura e a dinâmica molecular.
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