Como a Spintrônica e o Grafeno Impulsionam Circuitos Quânticos de Próxima Geração

Como a Spintrônica Poderia Revolucionar a Computação

Progressivamente, o mundo da computação de hardware está começando a olhar além dos chips de silício, ou até mesmo das formas clássicas de computação binária. Isso ocorre porque os chips e a memória habituais em nossos computadores e data centers estão se tornando cada vez mais difíceis de fabricar, com a geração mais recente tendo transistores de apenas alguns nanômetros de tamanho.

Outro fator é que o consumo de energia está se tornando um problema à medida que a demanda por poder de computação, particularmente para sistemas de IA, continua a crescer.

Existem muitas soluções propostas, sendo a computação quântica e a fotônica as opções mais proeminentes para reduzir a demanda por computação ou torná‑la mais rápida e menos sedenta de energia.

Outra é a spintrônica, que utiliza o spin dos elétrons em vez da corrente elétrica (fluxo de elétrons).

Pesquisadores da Delft University of Technology (Holanda), do Tsukuba National Institute for Materials Science (Japão), da University of Valencia (Espanha), da University of Regensburg (Alemanha) e da Harvard University (EUA) criaram um novo dispositivo de grafeno spintrônico.

Ao contrário da versão anterior desta tecnologia, ele não requer ímãs poderosos, tornando‑o muito mais compatível com outros componentes eletrônicos. Eles publicaram seus resultados na Nature Communications¹, sob o título “Quantum spin Hall effect in magnetic graphene”.

O Potencial da Spintrônica

Componentes eletrônicos como transistores são tradicionalmente construídos a partir de silício e dependem de semicondutores. Os sinais 0 e 1 no binário indicam a passagem ou bloqueio de uma corrente elétrica.

Uma forma alternativa de realizar computação são dispositivos spintrônicos que operam com o spin dos elétrons (uma característica quântica fundamental) em vez da corrente elétrica (fluxo de elétrons).

Source: Insight IAS

A spintrônica tem algumas vantagens sobre os sistemas eletrônicos clássicos, notavelmente:

• Dados mais rápidos, pois o spin pode ser alterado muito mais rapidamente.
• Menor consumo de energia, já que o spin pode ser alterado com menos potência do que é necessário para manter um fluxo de elétrons para criar uma corrente.
• Metais simples podem ser usados em vez de materiais semicondutores complexos.

A spintrônica já é usada em discos rígidos e permitiu que a capacidade de armazenamento crescesse na última década.

“O spin é uma propriedade mecânica quântica dos elétrons, que funciona como um pequeno ímã carregado pelos elétrons, apontando para cima ou para baixo.

Podemos aproveitar o spin dos elétrons para transferir e processar informações em dispositivos chamados spintrônicos.

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Spintrônica para Computação Quântica

Principais Benefícios da Spintrônica para Circuitos Quânticos

O spin não é uma corrente elétrica, mas uma característica quântica fundamental dos elétrons, onde a informação quântica é armazenada na orientação do spin.

A principal vantagem da spintrônica é que ela lida com o transporte de momentos magnéticos em vez da transferência de elétrons. Portanto, não há necessidade de mover matéria para transferir informação.

E como isso já é inicialmente um elemento quântico, a ideia de criar um qubit de spin é intrigante. O problema, como costuma acontecer com sistemas de computação quântica, é preservar essa informação por períodos e distâncias suficientemente longos.

E isso pode ser exatamente o que os pesquisadores deste estudo descobriram como resolver, usando grafeno.

Grafeno para Spintrônica

O grafeno é um “material milagroso”, forma de uma camada 2D de carbono. Ele tem potencial não apenas na computação, mas também em supercondutividade, telecomunicações, ciências dos materiais e catálise.

Até agora ele não tem sido realmente usado para spintrônica, apesar de suas notáveis propriedades elétricas. O motivo é que a detecção de correntes de spin quânticas no grafeno sempre exigiu campos magnéticos intensos que são praticamente impossíveis de integrar em chip.

Os pesquisadores conseguiram contornar a necessidade de campos magnéticos externos ao colocar o grafeno sobre um CrPS₄ (cromium thiophosphate), um semicondutor antiferromagnético bidimensional.

Essa camada magnética alterou significativamente as propriedades eletrônicas do grafeno, originando o efeito quantum spin Hall (QSH) no grafeno.

“Observamos que o transporte de spin no grafeno é modificado pelo CrPS4 vizinho, de modo que o fluxo de elétrons no grafeno passa a depender da direção do spin dos elétrons.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

O efeito QSH permite que os elétrons se movam sem esforço ao longo das bordas do grafeno sem interrupções, com todos os seus spins alinhados na mesma direção.

“O fato de agora estarmos alcançando correntes de spin quânticas sem a necessidade de campos magnéticos externos abre caminho para futuras aplicações desses dispositivos spintrônicos quânticos.”

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Perspectiva Futuro para Spintrônica Baseada em Grafeno

Como as correntes de spin quânticas são “protegidas topologicamente”, elas podem percorrer dezenas de micrômetros de distância sem perder a informação de spin no circuito.

“Essas correntes de spin protegidas topologicamente são robustas contra desordens e defeitos, tornando‑as confiáveis mesmo em condições imperfeitas. Preservar o sinal de spin sem qualquer perda de informação é vital para a construção de circuitos spintrônicos.”

Essa descoberta abre caminho para circuitos spintrônicos ultra‑finos baseados em grafeno. As correntes de spin no grafeno poderiam criar uma transferência eficiente e coerente de informação quântica, até agora limitado ao uso de luz para interconectar componentes de computação quântica.

Portanto, embora ainda seja um trabalho em progresso, esta descoberta deixa claro que o design final de computadores quânticos e redes quânticas ainda não foi decidido, com materiais como o grafeno provavelmente desempenhando um papel a longo prazo (como parte maior dos semicondutores de grafeno como categoria de material), bem como a spintrônica em geral.

Investindo em Empresas de Grafeno

Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG é um produtor de grafeno que focou sua oferta de produtos em produtos baseados em grafeno já demonstrados, como revestimentos térmicos e lubrificantes, aumentando a eficiência de equipamentos industriais.

Source: GMG

Isso faz do GMG uma boa opção para investidores que buscam exposição direta ao mercado de grafeno e uma empresa já ativa na produção em massa de grafeno e na melhoria do método de produção atual.

Se o grafeno começar a ser usado em larga escala para outras aplicações como computação, a experiência e a capacidade de fabricação das empresas de grafeno existentes serão uma vantagem para entrar nesses mercados.

Algumas outras aplicações podem ser a criação de semicondutores de grafeno (veja “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), ou até supercondutores à temperatura ambiente. O revestimento de grafeno também pode ser usado em baterias e em tecnologias de vasos de pressão de hidrogênio.

GMG produz seu grafeno a partir de metano + hidrogênio, o que difere da maioria de seus concorrentes, que o produzem a partir de depósitos de grafite natural. Isso permite maior pureza, mais escalabilidade e produção de baixo custo.

Source: GMG

A empresa lançou sua primeira instalação de produção na Austrália em 2023, com capacidade de até 1 milhão de litros de produção de revestimento para trocadores de calor por ano. Agora está expandindo para produzir 10 milhões de toneladas por ano.

O próximo passo da empresa será sua tecnologia de bateria baseada em íon alumínio de grafeno, com sua pasta de grafeno sendo um aditivo para os cátodos de baterias de íon‑lítio. A longo prazo, poderia até substituir totalmente os cátodos baseados em grafite.

A empresa está desenvolvendo essas baterias de íon alumínio de grafeno usando um cátodo de grafeno, que pode alcançar uma densidade de energia de 290 Wh/kg. Isso é desenvolvido em parceria com a gigante de mineração Rio Tinto, e pode inicialmente ter aplicações em indústrias pesadas (como mineração), em vez dos mercados de veículos elétricos.

Source: GMG

O roteiro de desenvolvimento da bateria prevê a construção de plantas piloto em 2025, uma decisão de investimento em uma fábrica de escala comercial em 2026 e sua eventual comissionamento e primeira entrega a clientes em 2027.

Essa entrada no mercado de baterias pode ser um grande risco para o GMG, mas também lhe confere uma oportunidade única no futuro mercado que pode abrir para o grafeno, incluindo armazenamento de energia e outras aplicações relacionadas à energia.

Estudo Referenciado

^{1. Ghiasi, T.S., Petrosyan, D., Ingla‑Aynés, J. et al. Quantum spin Hall effect in magnetic graphene. Nature Communications 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}