Que tipos de 'partículas' são permitidos pela natureza? A resposta está na teoria da mecânica quântica, que descreve o mundo microscópico.

Em uma tentativa de ampliar os limites de nossa compreensão do mundo quântico, Pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara desenvolveram um dispositivo que pode provar a existência de anyons não Abelianos, uma partícula quântica que foi matematicamente prevista para existir no espaço bidimensional, mas até agora não foi mostrado de forma conclusiva. A existência dessas partículas abriria caminho para grandes avanços na computação quântica topológica.

Em um estudo que aparece na revista Natureza , a física Andrea Young, seu aluno de graduação Sasha Zibrov e seus colegas deram um salto para encontrar evidências conclusivas de anyons não abelianos. Usando grafeno, um material atomicamente fino derivado de grafite (uma forma de carbono), eles desenvolveram um defeito extremamente baixo, dispositivo altamente sintonizável no qual anyons não Abelianos devem ser muito mais acessíveis. Primeiro, um pequeno pano de fundo:Em nosso universo tridimensional, as partículas elementares podem ser férmions ou bósons:pense nos elétrons (férmions) ou no Higgs (um bóson).

"A diferença entre esses dois tipos de 'estatísticas quânticas' é fundamental para a forma como a matéria se comporta, "Disse Young. Por exemplo, férmions não podem ocupar o mesmo estado quântico, permitindo-nos empurrar elétrons em semicondutores e evitando que estrelas de nêutrons entrem em colapso. Os bósons podem ocupar o mesmo estado, levando a fenômenos espetaculares, como condensação de Bose-Einstein e supercondutividade, ele explicou. Combine alguns fermions, como os prótons, nêutrons, e elétrons que formam átomos e você pode obter qualquer tipo, mas nunca evite a dicotomia.

Em um universo bidimensional, Contudo, as leis da física permitem uma terceira possibilidade. Conhecido como "anyons, "este tipo de partícula quântica não é um bóson nem um férmion, mas sim algo completamente diferente - e alguns tipos de anyons, conhecido como anyons não Abelianos, retêm uma memória de seus estados passados, codificar informações quânticas em longas distâncias e formar os blocos de construção teóricos para computadores quânticos topológicos.

Embora não vivamos em um universo bidimensional, quando confinado a uma folha muito fina ou placa de material, elétrons sim. Nesse caso, anyons podem emergir como "quasipartículas" de estados correlacionados de muitos elétrons. Perturbando tal sistema, digamos com um potencial elétrico, faz com que todo o sistema seja reorganizado, como se um anyon tivesse se movido.

A caça aos anyons não Abelianos começa identificando os estados coletivos que os hospedam. "Em estados Hall quânticos fracionários - um tipo de estado de elétron coletivo observado apenas em amostras bidimensionais em campos magnéticos muito altos - as quasipartículas são conhecidas por terem precisamente uma fração racional da carga do elétron, implicando que eles são anyons, "Young disse.

"Matematicamente, certo, estatísticas não Abelianas são permitidas e até mesmo previstas para alguns estados de Hall quânticos fracionários ", continuou ele. No entanto, os cientistas neste campo têm sido limitados pela fragilidade dos estados hospedeiros no material semicondutor onde são normalmente estudados. Nessas estruturas, os próprios estados coletivos aparecem apenas em temperaturas excepcionalmente baixas, tornando duplamente difícil explorar as propriedades quânticas únicas de anyons individuais.

O grafeno prova ser um material ideal para construir dispositivos para a busca de anyons indescritíveis. Mas, enquanto os cientistas construíam dispositivos baseados em grafeno, outros materiais ao redor da folha de grafeno - como substratos de vidro e portões metálicos - introduziram desordem suficiente para destruir quaisquer assinaturas de estados não Abelianos, Zibrov explicou. O grafeno está bem, é o meio ambiente que é o problema, ele disse.

A solução? Material mais atomicamente fino.

"Finalmente chegamos a um ponto em que tudo no dispositivo é feito de cristais individuais bidimensionais, "disse Young." Portanto, não apenas o grafeno em si, mas os dielétricos são monocristais de nitreto de boro hexagonal que são planos e perfeitos e as portas são monocristais de grafite que são planos e perfeitos. "Ao alinhar e empilhar esses cristais planos e perfeitos de material uns sobre os outros, a equipe alcançou não apenas um sistema de desordem muito baixo, mas também extremamente ajustável.

“Além de perceber esses estados, podemos ajustar os parâmetros microscópicos de uma forma muito bem controlada e entender o que torna esses estados estáveis ​​e o que os desestabiliza, "Disse Young. O bom grau de controle experimental - e eliminação de muitas incógnitas - permitiu à equipe modelar teoricamente o sistema com alta precisão, criando confiança em suas conclusões.

O avanço dos materiais confere a essas excitações frágeis uma certa robustez, com as temperaturas exigidas quase dez vezes mais altas do que as necessárias em outros sistemas de materiais. Trazer estatísticas não-abelianas para uma faixa de temperatura mais conveniente prova uma oportunidade não apenas para investigações de física fundamental, mas reacende a esperança de desenvolver um bit quântico topológico, que poderia formar a base para um novo tipo de computador quântico. Anyons não Abelianos são especiais porque são considerados capazes de processar e armazenar informações quânticas independentemente de muitos efeitos ambientais, um grande desafio na realização de computadores quânticos com meios tradicionais.

Mas, dizem os físicos, primeiras coisas primeiro. Medir diretamente as propriedades quânticas das quasipartículas emergentes é muito desafiador, Zibrov explicou. Embora algumas propriedades - como carga fracionada - tenham sido definitivamente demonstradas, a prova definitiva de estatísticas não-abelianas - muito menos o aproveitamento de anyons não-abelianos para computação quântica - permaneceu muito fora do alcance dos experimentos. "Nós realmente não sabemos ainda experimentalmente se existem anyons não Abelianos, "Zibrov disse.

"Nossos experimentos até agora são consistentes com a teoria, que nos diz que alguns dos estados que observamos devem ser não-abelianos, mas ainda não temos uma arma fumegante experimental. "

"Gostaríamos de um experimento que realmente demonstrasse um fenômeno único nas estatísticas não Abelianas, "disse Young, que ganhou vários prêmios por seu trabalho, incluindo o prêmio CAREER da National Science Foundation. "Agora que temos um material que entendemos muito bem, há muitas maneiras de fazer isso - veremos se a natureza coopera! "