Quando uma bailarina faz uma pirueta, girando uma revolução completa, ela está exatamente como quando começou. Mas para elétrons e outras partículas subatômicas, que seguem as regras da teoria quântica, não é necessariamente assim. Quando um elétron se move em torno de um caminho fechado, terminando onde começou, seu estado físico pode ou não ser o mesmo de quando saiu.

Agora, existe uma maneira de controlar o resultado, graças a um grupo de pesquisa internacional liderado por cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). A equipe desenvolveu o primeiro interruptor que liga e desliga esse misterioso comportamento quântico. A descoberta promete fornecer novos insights sobre os fundamentos da teoria quântica e pode levar a novos dispositivos eletrônicos quânticos.

Para estudar esta propriedade quântica, O físico do NIST e companheiro Joseph A. Stroscio e seus colegas estudaram elétrons encurralados em órbitas especiais dentro de uma região de grafeno do tamanho de um nanômetro - uma região ultra forte, camada única de átomos de carbono compactados. Os elétrons encurralados orbitam o centro da amostra de grafeno da mesma forma que os elétrons orbitam o centro de um átomo. Os elétrons em órbita normalmente retêm as mesmas propriedades físicas exatas depois de percorrer um circuito completo no grafeno. Mas quando um campo magnético aplicado atinge um valor crítico, ele atua como um interruptor, alterando a forma das órbitas e fazendo com que os elétrons possuam propriedades físicas diferentes após completarem um circuito completo.

Os pesquisadores relatam suas descobertas em 26 de maio, 2017, emissão de Ciência .

O switch quântico recém-desenvolvido depende de uma propriedade geométrica chamada de fase Berry, em homenagem ao físico inglês Sir Michael Berry, que desenvolveu a teoria desse fenômeno quântico em 1983. A fase de Berry está associada à função de onda de uma partícula, que na teoria quântica descreve o estado físico de uma partícula. A função de onda - pense em uma onda do oceano - tem uma amplitude (a altura da onda) e uma fase - a localização de um pico ou vale em relação ao início do ciclo da onda.

Quando um elétron faz um circuito completo em torno de um circuito fechado para retornar à sua localização inicial, a fase de sua função de onda pode mudar em vez de retornar ao seu valor original. Esta mudança de fase, a fase Berry, é uma espécie de memória da viagem de um sistema quântico e não depende do tempo, apenas na geometria do sistema - a forma do caminho. Além disso, a mudança tem consequências observáveis ​​em uma ampla gama de sistemas quânticos.

Embora a fase de Berry seja um fenômeno puramente quântico, tem um análogo em sistemas não quânticos. Considere o movimento de um pêndulo de Foucault, que foi usado para demonstrar a rotação da Terra no século XIX. O pêndulo suspenso simplesmente oscila para frente e para trás no mesmo plano vertical, mas parece girar lentamente durante cada oscilação - uma espécie de mudança de fase - devido à rotação da Terra abaixo dela.

Desde meados da década de 1980, experimentos mostraram que vários tipos de sistemas quânticos têm uma fase de Berry associada a eles. Mas até o estudo atual, ninguém havia construído um interruptor que pudesse ligar e desligar a fase Berry à vontade. A mudança desenvolvida pela equipe, controlado por uma pequena mudança em um campo magnético aplicado, dá aos elétrons um aumento repentino e grande de energia.

Vários membros da atual equipe de pesquisa - baseada no Instituto de Tecnologia de Massachusetts e na Universidade de Harvard - desenvolveram a teoria para a troca de fase Berry.

Para estudar a fase Berry e criar o switch, Fereshte Ghahari, membro da equipe do NIST, construiu um dispositivo de grafeno de alta qualidade para estudar os níveis de energia e a fase de Berry dos elétrons encurralados no grafeno.

Primeiro, a equipe confinou os elétrons para ocupar certas órbitas e níveis de energia. Para manter os elétrons presos, o membro da equipe Daniel Walkup criou uma versão quântica de uma cerca elétrica usando impurezas ionizadas na camada isolante abaixo do grafeno. Isso permitiu um microscópio de tunelamento de varredura nas instalações de usuários de nanotecnologia do NIST, o Centro de Ciência e Tecnologia em nanoescala, para sondar os níveis de energia quântica e a fase de Berry dos elétrons confinados.

A equipe então aplicou um campo magnético fraco direcionado para a folha de grafeno. Para elétrons se movendo no sentido horário, o campo magnético criado mais apertado, órbitas mais compactas. Mas, para os elétrons se movendo em órbitas no sentido anti-horário, o campo magnético teve o efeito oposto, puxando os elétrons para órbitas mais largas. Em uma intensidade crítica de campo magnético, o campo agia como um interruptor de fase de Berry. Ele torceu as órbitas dos elétrons no sentido anti-horário, fazendo com que as partículas carregadas executem piruetas no sentido horário perto do limite da cerca elétrica.

Normalmente, essas piruetas teriam poucas consequências. Contudo, diz o membro da equipe Christopher Gutiérrez, "os elétrons do grafeno possuem uma fase especial de Berry, que liga quando essas piruetas induzidas magneticamente são acionadas. "

Quando a fase Berry é ligada, Os elétrons em órbita saltam abruptamente para um nível de energia mais alto. O interruptor quântico fornece uma caixa de ferramentas científica rica que ajudará os cientistas a explorar ideias para novos dispositivos quânticos, que não têm analógico em sistemas convencionais de semicondutores, diz Stroscio.