No último experimento desse tipo, os pesquisadores capturaram a evidência mais convincente até o momento de que partículas incomuns se escondem dentro de um tipo especial de supercondutor. O resultado, que confirma as previsões teóricas feitas pela primeira vez há quase uma década no Joint Quantum Institute (JQI) e na Universidade de Maryland (UMD), será publicado na edição de 5 de abril da Natureza .

Os clandestinos, apelidado de quasipartículas de Majorana, são diferentes da matéria comum, como elétrons ou quarks - as coisas que constituem os elementos da tabela periódica. Ao contrário dessas partículas, que, tanto quanto os físicos sabem, não pode ser dividido em partes mais básicas, As quasipartículas de Majorana surgem de padrões coordenados de muitos átomos e elétrons e só aparecem em condições especiais. Eles são dotados de recursos exclusivos que podem permitir que formem a espinha dorsal de um tipo de computador quântico, e os pesquisadores os perseguem há anos.

O último resultado é o mais tentador ainda para os caçadores de Majorana, confirmando muitas previsões teóricas e estabelecendo as bases para experimentos mais refinados no futuro. No novo trabalho, os pesquisadores mediram a corrente elétrica que passa por um semicondutor ultrafino conectado a uma tira de alumínio supercondutor - uma receita que transforma toda a combinação em um tipo especial de supercondutor.

Experimentos desse tipo expõem o nanofio a um forte ímã, o que abre uma maneira extra para os elétrons no fio se organizarem em baixas temperaturas. Com este arranjo adicional, prevê-se que o fio hospede uma quasipartícula de Majorana, e os experimentadores podem verificar sua presença medindo cuidadosamente a resposta elétrica do fio.

O novo experimento foi conduzido por pesquisadores da QuTech na Universidade Técnica de Delft na Holanda e da Microsoft Research, com amostras do material híbrido preparado na Universidade da Califórnia, Santa Bárbara e Universidade de Tecnologia de Eindhoven, na Holanda. Os experimentadores compararam seus resultados aos cálculos teóricos do bolsista do JQI Sankar Das Sarma e do estudante de graduação do JQI Chun-Xiao Liu.

O mesmo grupo em Delft viu indícios de um Majorana em 2012, mas o efeito elétrico medido não foi tão grande quanto a teoria previra. Agora, o efeito completo foi observado, e persiste mesmo quando os experimentadores alteram a força dos campos magnéticos ou elétricos - uma robustez que fornece evidências ainda mais fortes de que o experimento capturou um Majorana, como previsto em simulações teóricas cuidadosas por Liu.

"Percorremos um longo caminho desde a receita teórica em 2010 de como criar partículas de Majorana em sistemas híbridos semicondutor-supercondutor, "diz Das Sarma, um co-autor do artigo, que também é o diretor do Centro de Teoria da Matéria Condensada da UMD. "Mas ainda há um caminho a percorrer antes de podermos declarar a vitória total em nossa busca por essas partículas estranhas."

O sucesso vem após anos de refinamentos na maneira como os pesquisadores montam os nanofios, levando a um contato mais limpo entre o fio semicondutor e a tira de alumínio. Durante o mesmo tempo, teóricos obtiveram insights sobre as possíveis assinaturas experimentais de Majoranas - trabalho iniciado por Das Sarma e vários colaboradores da UMD.

Teoria encontra experimento

A busca para encontrar quasipartículas de Majorana em fios quânticos finos começou em 2001, estimulado por Alexei Kitaev, em seguida, um físico da Microsoft Research. Kitaev, que agora está no California Institute of Technology em Pasadena, inventou um sistema relativamente simples, mas irreal, que poderia teoricamente abrigar um Majorana. Mas esse fio imaginário exigia um tipo específico de supercondutividade não disponível na prateleira da natureza, e outros logo começaram a procurar maneiras de imitar a engenhoca de Kitaev, misturando e combinando os materiais disponíveis.

Um desafio foi descobrir como obter supercondutores, que geralmente funcionam com um número par de elétrons - dois, quatro, seis, etc. - para também permitir um número ímpar de elétrons, uma situação que normalmente é instável e requer energia extra para ser mantida. O número ímpar é necessário porque as quasipartículas de Majorana são excêntricas descaradas:elas só aparecem no comportamento coordenado de um número ímpar de elétrons.

Em 2010, quase uma década após o artigo original de Kitaev, Das Sarma, JQI Fellow Jay Deep Sau e JQI pesquisador de pós-doutorado Roman Lutchyn, junto com um segundo grupo de pesquisadores, descobriu um método para criar esses supercondutores especiais, e tem conduzido a pesquisa experimental desde então. Eles sugeriram combinar um certo tipo de semicondutor com um supercondutor comum e medir a corrente em todo o conjunto. Eles previram que a combinação dos dois materiais, junto com um forte campo magnético, iria desbloquear o arranjo de Majorana e produzir o material especial de Kitaev.

Eles também previram que um Majorana poderia se revelar na forma como a corrente flui através de tal nanofio. Se você conectar um semicondutor comum a um fio de metal e uma bateria, os elétrons geralmente têm alguma chance de pular do fio para o semicondutor e alguma chance de serem rejeitados - os detalhes dependem dos elétrons e da composição do material. Mas se você usar um dos nanofios de Kitaev, algo completamente diferente acontece. O elétron sempre é refletido perfeitamente de volta para o fio, mas não é mais um elétron. Torna-se o que os cientistas chamam de buraco - basicamente um ponto no metal que está faltando um elétron - e carrega uma carga positiva de volta na direção oposta.

A física exige que a corrente através da interface seja conservada, o que significa que dois elétrons devem terminar no supercondutor para equilibrar a carga positiva que segue na outra direção. O estranho é que esse processo, que os físicos chamam de reflexão perfeita de Andreev, acontece mesmo quando os elétrons no metal não recebem nenhum impulso em direção ao limite, isto é, mesmo quando eles não estão conectados a uma espécie de bateria. Isso está relacionado ao fato de que a Majorana é sua própria antipartícula, o que significa que não custa energia para criar um par de Majoranas no nanofio. O arranjo de Majorana dá aos dois elétrons algum espaço extra para manobrar e permite que eles atravessem o nanofio como um par quantizado, ou seja, exatamente dois de cada vez.

"É a existência de Majoranas que dá origem a esta condutância diferencial quantizada, "diz Liu, que executou simulações numéricas para prever os resultados dos experimentos no cluster de supercomputador Deepthought2 da UMD. "E tal quantização deve ser robusta a pequenas mudanças nos parâmetros experimentais, como mostra a experiência real. "

Os cientistas se referem a esse estilo de experimento como espectroscopia de tunelamento porque os elétrons estão seguindo uma rota quântica através do nanofio para o outro lado. Tem sido o foco de esforços recentes para capturar Majoranas, mas há outros testes que poderiam revelar mais diretamente as propriedades exóticas das partículas - testes que confirmariam completamente se as Majoranas estão realmente lá.

"Este experimento é um grande passo em nossa busca por essas partículas de Majorana exóticas e evasivas, mostrando o grande avanço feito na melhoria de materiais nos últimos cinco anos, "Das Sarma diz." Estou convencido de que essas partículas estranhas existem nesses nanofios, mas apenas uma medição não local estabelecendo a física subjacente pode tornar a evidência definitiva. "