Pesquisadores da Universidade de Princeton detectaram uma propriedade quântica única de uma partícula evasiva notável por se comportar simultaneamente como matéria e antimatéria. A partícula, conhecido como férmion de Majorana, é valorizado pelos pesquisadores por seu potencial de abrir as portas para novas possibilidades de computação quântica.

No estudo publicado esta semana na revista Ciência , a equipe de pesquisa descreveu como eles aprimoraram uma técnica de imagem existente, chamado microscopia de tunelamento de varredura, para capturar sinais da partícula Majorana em ambas as extremidades de um fio de ferro atomicamente fino esticado na superfície de um cristal de chumbo. Seu método envolvia a detecção de uma propriedade quântica distinta conhecida como spin, que foi proposto para transmitir informações quânticas em circuitos que contêm a partícula de Majorana.

"A propriedade de spin de Majoranas os distingue de outros tipos de quase-partículas que emergem em materiais, "disse Ali Yazdani, Professor de Física da classe de Princeton de 1909. "A detecção experimental desta propriedade fornece uma assinatura única desta partícula exótica."

A descoberta se baseia na descoberta da equipe de 2014, também publicado em Ciência , do férmion Majorana em uma única cadeia de átomos de ferro em um substrato de chumbo. Nesse estudo, o microscópio de tunelamento de varredura foi usado para visualizar Majoranas pela primeira vez, mas não forneceu outras medidas de suas propriedades.

"Nosso objetivo tem sido investigar algumas das propriedades quânticas específicas de Majoranas. Esses experimentos fornecem não apenas uma confirmação adicional de sua existência em nossas cadeias, mas abre maneiras possíveis de usá-los ", disse Yazdani.

Teorizado pela primeira vez no final dos anos 1930 pelo físico italiano Ettore Majorana, a partícula é fascinante porque atua como sua própria antipartícula. Nos últimos anos, cientistas perceberam que podem projetar fios unidimensionais, como as cadeias de átomos na superfície supercondutora no estudo atual, para fazer os férmions Majorana emergirem em sólidos. Nestes fios, Majoranas ocorrem como pares em cada extremidade das cadeias, contanto que as correntes sejam longas o suficiente para que os Majoranas fiquem separados o suficiente para não se aniquilarem. Em um sistema de computação quântica, as informações podem ser armazenadas simultaneamente em ambas as extremidades do fio, fornecendo robustez contra interrupções externas aos estados quânticos inerentemente frágeis.

Esforços experimentais anteriores para detectar Majoranas usaram o fato de que é uma partícula e uma antipartícula. A assinatura reveladora é chamada de pico de polarização zero em uma medição de tunelamento quântico. Mas estudos têm mostrado que esses sinais também podem ocorrer devido a um par de quasipartículas comuns que podem emergir em supercondutores. Professor de Física Andrei Bernevig e sua equipe, que com o grupo de Yazdani propôs a plataforma da cadeia atômica, desenvolveram a teoria que mostrou que medições com polarização de spin feitas usando um microscópio de tunelamento de varredura podem distinguir entre a presença de um par de quase-partículas comuns e uma Majorana.

Tipicamente, microscopia de tunelamento de varredura (STM) envolve arrastar um eletrodo de ponta fina sobre uma estrutura, neste caso, a cadeia de átomos de ferro, e detectar suas propriedades eletrônicas, a partir do qual uma imagem pode ser construída. Para realizar medições sensíveis ao spin, os pesquisadores criam eletrodos que são magnetizados em diferentes orientações. Essas medições STM "spin-polarizadas" revelaram assinaturas que concordam com os cálculos teóricos de Bernevig e sua equipe.

"Acontece que, ao contrário do caso de uma quase-partícula convencional, o giro do Majorana não pode ser bloqueado pelo fundo. Nesse sentido, é uma prova de fogo para a presença do estado de Majorana, "Bernevig disse.

A propriedade de spin quântico de Majorana também pode torná-los mais úteis para aplicações em informações quânticas. Por exemplo, fios com Majoranas em cada extremidade podem ser usados ​​para transferir informações entre bits quânticos distantes que dependem do spin dos elétrons. O emaranhamento dos spins dos elétrons e Majoranas pode ser o próximo passo no aproveitamento de suas propriedades para a transferência de informações quânticas.