Um material de baixa temperatura feito de elementos praseodímio, ósmio, e o antimônio deve ser capaz de hospedar partículas subatômicas conhecidas como férmions de Majorana, Pesquisadores do MIT mostraram em uma análise teórica.

Férmions de Majorana, previsto pela primeira vez por físicos em 1937, pode ser pensado como elétrons divididos em duas partes, cada um dos quais se comporta como partículas independentes. Esses férmions não existem como partículas elementares na natureza, mas podem emergir em certos materiais supercondutores próximos à temperatura zero absoluta. Em materiais supercondutores, elétrons fluem sem resistência, gerando pouco ou nenhum calor.

A nova análise do estudante graduado Vladyslav Kozii, pós-doutorado Jörn Venderbos, e Lawrence C. (1944) e Sarah W. Biedenharn Professor Assistente de Desenvolvimento de Carreira Liang Fu prevê que este estado especial deve ocorrer em um praseodímio, composto de ósmio e antimônio, PrOs ₄ Sb ₁₂ , e materiais semelhantes feitos de metais pesados.

Os físicos descrevem os elétrons por sua energia, impulso, e gire. Um elétron pode ocupar um possível nível de energia, e um nível desocupado é chamado de buraco. Na nova análise, Os férmions de Majorana surgem como uma superposição quântica de um elétron e um buraco que se movem livremente, com cada um tendo a mesma direção, ou gire. Este spin do férmion Majorana pode interagir com o spin dos núcleos atômicos do material, então deve ser visto usando técnicas de ressonância magnética nuclear, eles prevêem.

"Abordamos uma certa classe de supercondutores, mostram que eles têm férmions de Majorana como quasipartículas de propagação livre na massa, e, em seguida, veja como eles podem ser detectados e quais outras propriedades esses materiais têm que podem ser usados ​​no futuro para uma funcionalidade interessante, "diz Venderbos." Acho que preenche muito bem a lacuna entre experimento e teoria e pode ser usado por experimentalistas agora. "O artigo foi publicado este mês no jornal Avanços da Ciência .

Um conceito-chave da física neste trabalho é o da simetria da reversão do tempo. Tal simetria significa que as equações de movimentos que governam um objeto ou partícula permanecem as mesmas se alguém pudesse inverter a direção do tempo - com o tempo fluindo para trás em vez de para a frente. Se a equação do movimento dos elétrons em um material for diferente quando o tempo flui para trás - como acontece com os ímãs, por exemplo - então diz-se que a simetria da reversão do tempo está quebrada. Isso dá aos físicos uma maneira importante de distinguir diferentes materiais. No supercondutor proposto à base de composto de antimônio, a análise mostra que os férmions de Majorana só podem existir quando a simetria da reversão do tempo é quebrada. Ao reverter o movimento no tempo, a rotação dos férmions de Majorana é revertida - por exemplo, do sentido horário para o anti-horário - e isso implica em uma equação de movimento diferente para os férmions de Majorana retrocedendo no tempo. “Em relação ao material que propusemos, na verdade, há um experimento recente que confirma que a simetria da reversão do tempo foi quebrada no estado supercondutor deste material. Isso reforça nossa conclusão de que é de fato um candidato muito promissor para a aplicação de nossa teoria, "Kozii explica.

Os férmions de Majorana foram propostos pela primeira vez pelo físico italiano Ettore Majorana como uma solução matemática especial para o comportamento quântico dos elétrons. Pesquisadores da Universidade de Princeton relataram a detecção de uma realização de dimensão zero dessas partículas no final de uma cadeia atômica em outubro de 2014. Os teóricos do MIT agora mostram que os férmions de Majorana em propagação tridimensional que eles prevêem são governados pela equação original de Majorana. "O extenso estudo que realizamos mostra que esta partícula peculiar pode agora encontrar sua realização na física do estado sólido em um material real, "Venderbos diz.

Elétrons em materiais como metais e semicondutores podem preencher apenas certos níveis de energia, ou bandas, com excluídos, ou proibido, níveis de energia conhecidos como bandgap. Em um supercondutor, isso também é chamado de lacuna supercondutora. Normalmente, é preciso energia externa para elevar um elétron de menor energia a um nível de energia mais alto, especialmente quando tem que ultrapassar um bandgap. A análise de praseodímio dos grupos Fu, ósmio, e o antimônio revela que existem alguns pontos especiais em seu espectro de excitação eletrônica onde o bandgap desaparece em seu estado supercondutor, o que significa que excitações de baixa energia são possíveis. "Por mais baixa energia que você consome, sempre haverá excitação nesta energia. Essas excitações são exatamente esses férmions de Majorana de que estávamos falando, "Kozii explica. Venderbos acrescenta, "Existem algumas excitações para as quais você não precisa colocar nenhuma energia ou apenas uma quantidade infinitesimalmente minúscula e você ainda pode criar a excitação."

Observando que Fu fez "algumas previsões fantásticas no passado, "Professor de química da Universidade de Princeton, Robert J. Cava, que não estava envolvido nesta pesquisa, sugere:"Os experimentalistas devem ouvir o que ele tem a dizer. ... Estou muito feliz em ver que ele e seus colegas de trabalho apresentaram uma análise de materiais reais nos quais suas idéias podem ser incorporadas."

Kozii, Venderbos, e Fu analisou esses supercondutores não convencionais por um ano. Para Kozii, o trabalho fará parte de sua tese de doutorado.

Os pesquisadores esperam que seu trabalho inspire experimentalistas a olhar novamente para alguns materiais previamente estudados para identificar aqueles que hospedam estados supercondutores com férmions de Majorana. “Acho que o primeiro passo seria apenas encontrar um material em que todos concordassem que tem esses férmions de Majorana. Isso seria muito emocionante e constituiria a descoberta de um novo tipo de supercondutor em experimento, "Diz Venderbos." O próximo passo seria pensar na funcionalização desses materiais, quais poderiam ser as aplicações específicas. "Tentar fazer dispositivos quânticos com esses materiais é uma direção possível." Esperamos que esta pesquisa, em última análise, aproxime os esforços da comunidade de materiais quânticos e dispositivos quânticos para descobrir as muitas facetas dos férmions de Majorana, "Fu acrescenta.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.