Descoberta publicada na Nature abre caminho para chips sem aquecimento

Chips sem aquecimento – Pela primeira vez, cientistas demonstraram a existência de um material quântico no qual a eletricidade flui sem resistência e, consequentemente, sem gerar calor. O feito, descrito em estudo publicado na revista Nature, é considerado um marco para a física de materiais e pode impactar o futuro do hardware e da computação de alto desempenho.

A equipe de pesquisadores utilizou bicamadas torcidas de um composto específico para criar o que é chamado de “isolante de Chern fracionário” livre de dissipação. Na prática, isso significa que a corrente elétrica atravessa o material sem perder intensidade, algo inédito até então.

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O calor é hoje um dos principais limitadores da performance em dispositivos eletrônicos. Em condutores convencionais, como cobre e ouro, elétrons colidem com átomos e impurezas, gerando calor por meio do Efeito Joule. Esse aquecimento exige sistemas de refrigeração cada vez mais sofisticados e impõe limites físicos ao aumento de frequência em processadores e placas de vídeo.

No novo estado da matéria observado pelos cientistas, porém, os elétrons fluem de maneira organizada e protegida por leis topológicas, como se percorressem uma rodovia expressa sem obstáculos. Essa dinâmica impede a dissipação de energia ao longo do trajeto.

O material utilizado no experimento foi o diteleneto de molibdênio (MoTe₂). A inovação está na forma como ele é estruturado: duas camadas atômicas são empilhadas e levemente torcidas uma em relação à outra. Essa torção cria um padrão de interferência conhecido como “Moiré”, capaz de alterar profundamente o comportamento eletrônico do sistema.

De acordo com o estudo liderado por Heonjoon Park e Xiaodong Xu, da Universidade de Washington, o dispositivo apresentou resistência longitudinal nula, indicando que a corrente elétrica atravessou o material sem qualquer perda de energia. Diferentemente dos supercondutores tradicionais, que exigem campos magnéticos intensos, o efeito foi observado em campo zero, um avanço considerado determinante para futuras aplicações.

As características do novo material o diferenciam radicalmente da condutividade comum. O fluxo elétrico ocorre por modos de borda topológicos, nos quais os elétrons se deslocam sem ricochetear. O estado quântico demonstrou estabilidade mesmo na ausência de campos magnéticos externos e, em teoria, permitiria a construção de processadores que não gerariam calor residual, eliminando a necessidade de ventoinhas ou sistemas de refrigeração líquida.

A possibilidade de reduzir drasticamente a dissipação térmica atinge um dos maiores gargalos da indústria tecnológica. Data centers gastam fortunas com refrigeração, e os chips de silício já operam próximos de seus limites físicos. A adoção de um material quântico sem perda de energia poderia transformar o gerenciamento térmico como ele é conhecido hoje.

Apesar do avanço, o experimento foi realizado em temperaturas criogênicas entre 20 e 55 Kelvin, o equivalente a aproximadamente -253°C a -218°C. Embora represente um salto significativo em comparação a sistemas que operam próximos do zero absoluto, ainda está distante das condições de temperatura ambiente necessárias para aplicações comerciais amplas.

A descoberta fortalece o campo da chamada eletrônica topológica, que busca desenvolver dispositivos de consumo energético mínimo. Além disso, o estado observado é considerado relevante para a computação quântica topológica, que promete máquinas mais estáveis e menos suscetíveis a erros do que os modelos atuais.

Especialistas apontam, no entanto, que o caminho até transformar a descoberta em hardware comercial é longo. O transporte elétrico perfeito ocorre em modos de borda de um sistema bidimensional extremamente limpo, o que não equivale à simples substituição de trilhas metálicas em chips modernos. A fabricação exige controle preciso de ângulo, tensão, alinhamento e qualidade cristalina, condições difíceis de reproduzir em escala industrial. Também será necessário resolver desafios de integração com arquiteturas CMOS, incluindo contatos elétricos, encapsulamento, confiabilidade e rendimento de produção.

As projeções indicam que, nos próximos dois a cinco anos, outros grupos devem replicar e aprimorar o experimento, ampliando a robustez do efeito e explorando aplicações científicas, como metrologia e estudo de estados quânticos exóticos. Entre cinco e dez anos, podem surgir usos nichados em ambientes criogênicos já existentes, como instrumentação quântica. Qualquer aproximação com eletrônica de consumo ou computação de alto desempenho em larga escala, porém, deve levar ao menos uma ou duas décadas, e dependerá de avanços significativos, especialmente na operação em temperaturas mais altas.

(Com informações de Adrenaline)
(Foto: Reprodução/Freepik/janthraphongphanm)