A combinação de diferentes fases de água - gelo sólido, água líquida, e vapor de água - exigiria algum esforço para atingir experimentalmente. Por exemplo, se você quiser colocar gelo próximo ao vapor, você teria que resfriar continuamente a água para manter a fase sólida, enquanto a aquece para manter a fase gasosa.

Para físicos de matéria condensada, essa capacidade de criar diferentes condições no mesmo sistema é desejável porque fenômenos e propriedades interessantes frequentemente surgem nas interfaces entre duas fases. De interesse atual são as condições sob as quais os férmions de Majorana podem aparecer perto desses limites.

Férmions Majorana são excitações semelhantes a partículas chamadas quasipartículas que surgem como resultado do fracionamento (divisão) de elétrons individuais em duas metades. Em outras palavras, um elétron se torna um par entrelaçado (ligado) de duas quasipartículas de Majorana, com o link persistindo independentemente da distância entre eles. Os cientistas esperam usar férmions de Majorana que são fisicamente separados em um material para armazenar informações de forma confiável na forma de qubits, os blocos de construção dos computadores quânticos. As propriedades exóticas de Majoranas - incluindo sua alta insensibilidade a campos eletromagnéticos e outros "ruídos" ambientais - os tornam candidatos ideais para transportar informações por longas distâncias sem perdas.

Contudo, Até a presente data, Férmions de Majorana só foram realizados em materiais em condições extremas, inclusive em temperaturas frias próximas do zero absoluto (-459 graus Fahrenheit) e sob campos magnéticos elevados. E embora sejam "topologicamente" protegidos das impurezas atômicas locais, transtorno, e defeitos que estão presentes em todos os materiais (ou seja, suas propriedades espaciais permanecem as mesmas, mesmo se o material for dobrado, torcido, esticado, ou de outra forma distorcida), eles não sobrevivem sob fortes perturbações. Além disso, a faixa de temperaturas nas quais eles podem operar é muito estreita. Por estas razões, Os férmions de Majorana ainda não estão prontos para a aplicação tecnológica prática.

Agora, uma equipe de físicos liderada pelo Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e incluindo colaboradores da China, Alemanha, e a Holanda propôs um novo método teórico para a produção de férmions de Majorana mais robustos. De acordo com seus cálculos, conforme descrito em um artigo publicado em 15 de janeiro em Cartas de revisão física , essas Majoranas emergem em temperaturas mais altas (em muitas ordens de magnitude) e em grande parte não são afetadas por desordem e ruído. Mesmo que eles não sejam protegidos topologicamente, eles podem persistir se as perturbações mudarem lentamente de um ponto a outro no espaço.

"Nossos cálculos numéricos e analíticos fornecem evidências de que os férmions de Majorana existem nas fronteiras de materiais magnéticos com diferentes fases magnéticas, ou direções dos spins do elétron, posicionados próximos um do outro, "disse o co-autor Alexei Tsvelik, cientista sênior e líder do Grupo de Teoria da Matéria Condensada no Departamento de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais do Laboratório Brookhaven (CMPMS). "Também determinamos o número de férmions de Majorana que você deve esperar obter se combinar certas fases magnéticas."

Para seu estudo teórico, os cientistas se concentraram em materiais magnéticos chamados escadas de rotação, que são cristais formados por átomos com uma estrutura tridimensional (3-D) subdividida em pares de cadeias que parecem escadas. Embora os cientistas tenham estudado as propriedades dos sistemas de escada de spin por muitos anos e esperassem que eles produzissem férmions de Majorana, eles não sabiam quantos. Para realizar seus cálculos, eles aplicaram a estrutura matemática da teoria quântica de campos para descrever a física fundamental das partículas elementares, e um método numérico (grupo de renormalização da matriz densidade) para simular sistemas quânticos cujos elétrons se comportam de maneira fortemente correlacionada.

"Ficamos surpresos ao saber que, para certas configurações de fases magnéticas, podemos gerar mais de um férmion de Majorana em cada limite, "disse o co-autor e presidente do departamento do CMPMS, Robert Konik.

Para que os férmions de Majorana sejam praticamente úteis na computação quântica, eles precisam ser gerados em grandes números. Os especialistas em computação acreditam que o limite mínimo no qual os computadores quânticos serão capazes de resolver problemas que os computadores clássicos não podem é de 100 qubits. Os férmions de Majorana também devem ser móveis de forma que possam ficar emaranhados.

A equipe planeja acompanhar seu estudo teórico com experimentos usando sistemas de engenharia, como pontos quânticos (partículas semicondutoras nanométricas) ou íons presos (confinados). Comparado com as propriedades dos materiais reais, aqueles de engenharia podem ser mais facilmente ajustados e manipulados para introduzir os diferentes limites de fase onde os férmions de Majorana podem emergir.

"De que será feita a próxima geração de computadores quânticos não está claro agora, "disse Konik." Estamos tentando encontrar melhores alternativas para os supercondutores de baixa temperatura da geração atual, semelhante a como o silício substituiu o germânio nos transistores. Estamos em estágios tão iniciais que precisamos explorar todas as possibilidades disponíveis. "