p Em 1928, o físico Paul Dirac fez a previsão surpreendente de que cada partícula fundamental do universo tem uma antipartícula - sua gêmea idêntica, mas com carga oposta. Quando a partícula e a antipartícula se encontrassem, seriam aniquiladas, liberando um puf de energia. Com certeza, alguns anos depois, a primeira partícula de antimatéria - o oposto do elétron, o pósitron - foi descoberto, e a antimatéria rapidamente se tornou parte da cultura popular. p Mas em 1937, outro físico brilhante, Ettore Majorana, introduziu uma nova reviravolta:ele previu que na classe de partículas conhecidas como férmions, que inclui o próton, nêutron, elétron, neutrino e quark, deve haver partículas que são suas próprias antipartículas.

p Agora, uma equipe que inclui cientistas de Stanford afirma ter encontrado a primeira evidência firme de tal férmion de Majorana. Ele foi descoberto em uma série de experimentos de laboratório com materiais exóticos na Universidade da Califórnia em colaboração com a Universidade de Stanford. A equipe experimental foi liderada pelo professor Kang Wang da UCLA, e previsões teóricas precisas foram feitas pelo grupo do professor de Stanford Shoucheng Zhang, em colaboração com grupos experimentais liderados pelo Professor Associado Jing Xia na UC-Irvine e o Professor Kai Liu na UC-Davis. A equipe relatou os resultados em 20 de julho em Ciência .

p "Nossa equipe previu exatamente onde encontrar o férmion de Majorana e o que procurar como sua assinatura experimental 'arma fumegante', "disse Zhang, um físico teórico e um dos autores seniores do artigo de pesquisa. "Esta descoberta conclui uma das pesquisas mais intensas em física fundamental, que durou exatamente 80 anos. "

p Embora a busca pelo famoso férmion pareça mais intelectual do que prática, ele adicionou, pode ter implicações na vida real para a construção de computadores quânticos robustos, embora isso esteja reconhecidamente em um futuro distante.

p O tipo particular de férmion de Majorana que a equipe de pesquisa observou é conhecido como férmion "quiral" porque se move ao longo de um caminho unidimensional em apenas uma direção. Embora os experimentos que o produziram fossem extremamente difíceis de conceber, configurar e executar, o sinal que eles produziram era claro e inequívoco, disseram os pesquisadores.

p "Esta pesquisa culmina uma busca de muitos anos para encontrar férmions quirais de Majorana. Será um marco no campo, "disse Tom Devereaux, diretor do Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia (SIMES) no SLAC National Accelerator Laboratory, onde Zhang é o investigador principal.

p "Parece ser uma observação muito clara de algo novo, "disse Frank Wilczek, um físico teórico e ganhador do Nobel do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que não esteve envolvido no estudo. "Não é fundamentalmente surpreendente, porque os físicos pensaram por muito tempo que os férmions de Majorana poderiam surgir dos tipos de materiais usados ​​neste experimento. Mas eles juntaram vários elementos que nunca haviam sido reunidos antes, e coisas de engenharia para que este novo tipo de partícula quântica possa ser observada de forma limpa, forma robusta é um verdadeiro marco. "

p Pesquise por 'quasipartículas'

p A previsão de Majorana se aplica apenas a férmions que não têm carga, como o nêutron e o neutrino. Desde então, os cientistas encontraram uma antipartícula para o nêutron, mas eles têm boas razões para acreditar que o neutrino pode ser sua própria antipartícula, e há quatro experimentos em andamento para descobrir - incluindo EXO-200, a última encarnação do Enriched Xenon Observatory, no Novo México. Mas esses experimentos são extraordinariamente difíceis e não se espera que produzam uma resposta por cerca de uma década.

p Cerca de 10 anos atrás, os cientistas perceberam que os férmions de Majorana também podem ser criados em experimentos que exploram a física dos materiais - e a corrida para que isso acontecesse estava iniciada.

p O que eles procuram são "quasipartículas" - excitações semelhantes a partículas que surgem do comportamento coletivo dos elétrons em materiais supercondutores, que conduzem eletricidade com 100 por cento de eficiência. O processo que dá origem a essas quasipartículas é semelhante ao modo como a energia se transforma em partículas "virtuais" de vida curta e de volta em energia novamente no vácuo do espaço, de acordo com a famosa equação de Einstein E =mc2. Embora as quasipartículas não sejam como as partículas encontradas na natureza, eles seriam, no entanto, considerados verdadeiros férmions de Majorana.

p Nos últimos cinco anos, os cientistas tiveram algum sucesso com esta abordagem, relatando que viram assinaturas promissoras de férmions de Majorana em experimentos envolvendo nanofios supercondutores.

p Mas, nesses casos, as quasipartículas eram "ligadas" - fixadas a um lugar particular, em vez de se propagar no espaço e no tempo - e era difícil dizer se outros efeitos estavam contribuindo para os sinais que os pesquisadores viram, Zhang disse.

p Uma 'arma fumegante'

p Nos últimos experimentos da UCLA, UC-Davis e UC-Irvine, a equipe empilhou filmes finos de dois materiais quânticos - um supercondutor e um isolante topológico magnético - e enviou uma corrente elétrica através deles, tudo dentro de uma câmara de vácuo resfriada.

p O filme principal foi um supercondutor. O de baixo era um isolante topológico, que conduz a corrente apenas ao longo de sua superfície ou bordas, mas não pelo meio. Colocá-los juntos criou um isolante topológico supercondutor, onde os elétrons passam ao longo de duas bordas da superfície do material sem resistência, como carros em uma superestrada.

p Foi idéia de Zhang ajustar o isolador topológico adicionando uma pequena quantidade de material magnético a ele. Isso fez com que os elétrons fluíssem para um lado ao longo de uma borda da superfície e para o lado oposto ao longo da borda oposta.

p Em seguida, os pesquisadores varreram um ímã sobre a pilha. Isso tornou o fluxo de elétrons lento, parar e mudar de direção. Essas mudanças não foram suaves, mas ocorreu em etapas abruptas, como escadas idênticas em uma escada.

p Em certos pontos deste ciclo, Surgiram quasipartículas de Majorana, surgindo em pares da camada supercondutora e viajando ao longo das bordas do isolador topológico, assim como os elétrons. Um membro de cada par foi desviado do caminho, permitindo aos pesquisadores medir facilmente o fluxo das quasipartículas individuais que continuaram avançando. Como os elétrons, eles desaceleraram, parou e mudou de direção - mas em passos exatamente com a metade da altura dos elétrons.

p Esses meios-passos eram a prova fumegante que os pesquisadores estavam procurando.

p Os resultados desses experimentos provavelmente não terão qualquer efeito nos esforços para determinar se o neutrino é sua própria antipartícula, disse o professor de física de Stanford, Giorgio Gratta, que desempenhou um papel importante na concepção e planejamento do EXO-200.

p "As quasipartículas que eles observaram são essencialmente excitações em um material que se comporta como partículas de Majorana, "Gratta disse." Mas eles não são partículas elementares e são feitos de uma forma muito artificial em um material muito especialmente preparado. É muito improvável que ocorram no universo, embora quem somos nós para dizer? Por outro lado, neutrinos estão por toda parte, e se forem consideradas partículas de Majorana, mostraremos que a natureza não só tornou esse tipo de partículas possível, mas, na verdade, literalmente encheu o universo com eles. "

p Ele adicionou, "O que fica mais interessante é que as analogias na física provaram ser muito poderosas. E mesmo que sejam feras muito diferentes, processos diferentes, talvez possamos usar um para compreender o outro. Talvez descubramos algo que seja interessante para nós, também."

p Partícula de anjo

p Longe no futuro, Zhang disse, Os férmions de Majorana podem ser usados ​​para construir computadores quânticos robustos que não sejam afetados pelo ruído ambiental, o que tem sido um grande obstáculo ao seu desenvolvimento. Uma vez que cada Majorana é essencialmente meia partícula subatômica, um único qubit de informação pode ser armazenado em dois férmions de Majorana amplamente separados, diminuindo a chance de que algo possa perturbá-los ao mesmo tempo e fazê-los perder as informações que carregam.

p Por enquanto, ele sugere um nome para o férmion de Majorana quiral que sua equipe descobriu:a "partícula de anjo, "em referência ao thriller best-seller de 2000, Anjos e Demônios, em que uma irmandade secreta planeja explodir o Vaticano com uma bomba-relógio cujo poder explosivo vem da aniquilação da matéria-antimatéria. Ao contrário do livro, ele notou, no mundo quântico do férmion de Majorana, existem apenas anjos - nenhum demônio.