Como a espintrônica e o grafeno impulsionam circuitos quânticos de última geração

Como a Spintrônica Pode Revolucionar a Computação

Progressivamente, o mundo da computação em hardware está começando a olhar além dos chips de silício, ou mesmo das formas clássicas de computação binária. Isso ocorre porque os chips e a memória comuns em nossos computadores e data centers estão se tornando cada vez mais difíceis de construir, com a última geração 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, especialmente para sistemas de IA, continua crescendo.

Há muitas soluções propostas, sendo a computação quântica e a fotônica as opções mais importantes para reduzir a demanda por computação ou torná-la mais rápida e com menor consumo de energia.

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

Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Delft (Holanda), do Instituto Nacional de Ciência dos Materiais de Tsukuba (Japão), da Universidade de Valência (Espanha), da Universidade de Regensburg (Alemanha) e da Universidade de Harvard (EUA) criaram um novo dispositivo de grafeno spintrônico.

Ao contrário da versão anterior desta tecnologia, ela não requer ímãs potentes, o que a torna muito mais compatível com outros componentes eletrônicos. Os resultados foram publicados na Nature Communications.¹, Sob o título "Efeito Hall de spin quântico em grafeno magnético".

O potencial da Spintrônica

Componentes eletrônicos como transistores são tradicionalmente construídos em silício e dependem de semicondutores. Os sinais 0 e 1 em binário indicam a passagem ou o bloqueio de uma corrente elétrica.

Uma maneira alternativa de realizar cálculos são os dispositivos spintrônicos que funcionam com o spin dos elétrons (uma característica quântica fundamental) em vez da corrente elétrica (fluxo de elétrons).

Fonte: Insight IAS

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

• Dados mais rápidos, pois a rotação pode ser alterada muito mais rapidamente.
• Menor consumo de energia, pois o spin pode ser alterado com menos energia do que o 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 é como um pequeno ímã carregado pelos elétrons, apontando para cima ou para baixo.

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

Talieh Ghiasi - Pesquisa de Pós-Doutoradoratazana Universidade de Tecnologia de Delft

Spintrônica para Computação Quântica

Principais benefícios da espintrônica 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 movimentação de matéria para transferir informações.

E como este já é inicialmente um elemento quântico, a ideia de criar um qubit de spin é intrigante. A questão, como frequentemente acontece com sistemas de computação quântica, é preservar essa informação por períodos de tempo 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 uma forma de “material milagroso” de Camada 2D de carbono. Tem potencial não apenas na computação, mas também em supercondutividade, telecomunicação, ciências materiais e catálise.

Até agora, não foi realmente utilizado em spintrônica, apesar de suas notáveis ​​propriedades elétricas. O motivo é que a detecção de correntes de spin quânticas no grafeno sempre exigiu grandes campos magnéticos, praticamente impossíveis de integrar em um chip.

Os pesquisadores conseguiram evitar a necessidade de campos magnéticos externos colocando o grafeno sobre um CrPS₄ (tiofosfato de cromo), um semicondutor antiferromagnético bidimensional.

Essa camada magnética alterou significativamente as propriedades eletrônicas do grafeno, dando origem ao efeito Hall de spin quântico (QSH) no grafeno.

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

Talieh Ghiasi - Pesquisa de Pós-Doutoradoratazana Universidade de Tecnologia de Delft

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

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

Talieh Ghiasi - Pesquisa de Pós-Doutoradoratazana Universidade de Tecnologia de Delft

Perspectivas futuras para a espintrônica baseada em grafeno

Como as correntes de spin quântico são “protegidas topologicamente”, elas podem viajar por distâncias de dezenas de micrômetros sem perder as informações de spin no circuito.

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

Talieh Ghiasi - Pesquisa de Pós-Doutoradoratazana Universidade de Tecnologia de Delft

Esta descoberta abre caminho para circuitos spintrônicos ultrafinos baseados em grafeno. As correntes de spin no grafeno podem 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 andamento, esta descoberta deixa claro que o design final dos computadores quânticos e das redes quânticas ainda não foi decidido, com materiais como o grafeno provavelmente desempenhando um papel a longo prazo (como uma parte maior de semicondutores de grafeno como uma categoria de material), bem como a spintrônica em geral.

Investindo em empresas de grafeno

Grupo de Fabricação de Grafeno (GMG)

A GMG é uma produtora de grafeno que concentrou sua oferta de produtos em produtos à base de grafeno já demonstrados, como revestimento térmico e lubrificantes, aumentando a eficiência de equipamentos industriais.

Fonte: GMG

Isso faz da GMG uma boa opção para investidores que buscam exposição direta ao mercado de grafeno e uma empresa já atuante na produção em massa de grafeno e no aprimoramento 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 poderiam ser a criação de semicondutores de grafeno (ver “Semicondutores de grafeno – eles finalmente chegaram?”), ou mesmo supercondutores à temperatura ambiente. O revestimento de grafeno também pode ser usado em baterias e em tecnologias de vasos de pressão de hidrogênio.

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

Fonte: GMG

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

O próximo passo da empresa será sua tecnologia de baterias baseada em íons de alumínio e grafeno, com sua pasta de grafeno sendo um aditivo para cátodos de baterias de íons de lítio. A longo prazo, ela poderá até mesmo substituir completamente os cátodos à base de grafite.

A empresa está desenvolvendo essas baterias de íons de alumínio e grafeno usando um cátodo de grafeno, que pode atingir uma densidade energética de 290 Wh/kg. O desenvolvimento é feito em parceria com a gigante da mineração Rio Tinto e pode ter aplicações iniciais em indústrias pesadas (como mineração), em vez do mercado de veículos elétricos.

Fonte: GMG

O roteiro de desenvolvimento da bateria prevê a construção de plantas piloto em 2025, uma decisão sobre investimento em uma fábrica em escala comercial em 2026 e seu eventual comissionamento e primeiro envio aos clientes até 2027.

Essa entrada no mercado de baterias pode ser uma grande aposta para a GMG, mas também lhe dá uma oportunidade única no mercado futuro que pode se abrir para o grafeno, inclusive em armazenamento de energia e outras aplicações relacionadas à energia.

Estudo Referenciado

^{1. Ghiasi, TS, Petrosyan, D., Ingla-Aynés, J. et al. Efeito Hall de spin quântico em grafeno magnético. Nature Communications 16, 5336 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60377-1}