Férmions de Majorana são partículas que podem ser potencialmente usadas como unidades de informação para um computador quântico. Um experimento realizado por físicos do Instituto Suíço de Nanociência e do Departamento de Física da Universidade de Basel confirmou sua teoria de que os férmions de Majorana podem ser gerados e medidos em um supercondutor na extremidade de fios feitos de átomos de ferro individuais. Os pesquisadores também conseguiram observar as propriedades das ondas de Majoranas e, Portanto, em tornar o interior de uma Majorana visível pela primeira vez. Os resultados foram publicados na revista npj Quantum Information .

Cerca de 75 anos atrás, O físico italiano Ettore Majorana levantou a hipótese da existência de partículas exóticas que são suas próprias antipartículas. Desde então, interesse nessas partículas, conhecido como férmions de Majorana, cresceu enormemente, visto que eles poderiam desempenhar um papel na criação de um computador quântico. Majoranas já foram muito bem descritas em teoria. Contudo, examiná-los e obter evidências experimentais é difícil porque eles têm que ocorrer aos pares, mas normalmente formam um elétron normal. Combinações e arranjos engenhosos de vários materiais são, portanto, necessários para gerar duas Majoranas e mantê-las separadas.

Colaboração entre teoria e prática

O grupo liderado pelo professor Ernst Meyer agora usou previsões e cálculos dos físicos teóricos Professor Jelena Klinovaja e Professor Daniel Loss (do Instituto Suíço de Nanociência e do Departamento de Física da Universidade de Basel) para medir experimentalmente estados que correspondem a Majoranas. Em um supercondutor, os pesquisadores evaporaram átomos de ferro simples com spin que, devido à estrutura de linha dos átomos de chumbo, organizam-se em um fio minúsculo que compreende uma fileira de átomos individuais. Os fios alcançaram um comprimento surpreendente de até 70 nanômetros.

Majoranas soltas nas pontas

Os pesquisadores examinaram essas cadeias monoatômicas com o auxílio de microscopia de varredura por tunelamento e, pela primeira vez, com um microscópio de força atômica também. Usando as imagens e medidas, eles encontraram indicações claras da existência de férmions de Majorana únicos nas extremidades dos fios sob certas condições e a partir de um comprimento de fio específico.

Apesar da distância entre eles, as duas Majoranas nas pontas dos fios ainda estão conectadas. Juntos, eles formam um novo estado estendido por todo o fio que pode ser ocupado ("1") ou não ("0") por um elétron. Esta propriedade binária pode servir de base para um bit quântico (Qubit) e significa que Majoranas, que também são muito robustos contra uma série de influências ambientais, são candidatos promissores para a criação de um futuro computador quântico.

Função de onda prevista medida

Os pesquisadores de Basel não mostraram apenas que as Majoranas simples podem ser geradas e medidas nas pontas de um fio de ferro, eles também realizaram o primeiro experimento para mostrar que as Majoranas são objetos quânticos estendidos com uma estrutura interna, conforme previsto por seus colegas teóricos. Em uma área de vários nanômetros, as medições mostraram a função de onda esperada com oscilações características e comprimentos de decaimento duplo, que agora se tornaram visíveis pela primeira vez.