As partículas de Majorana são membros muito peculiares da família das partículas elementares. Previsto pela primeira vez em 1937 pelo físico italiano Ettore Majorana, essas partículas pertencem ao grupo dos chamados férmions, um grupo que também inclui elétrons, nêutrons e prótons. Os férmions de Majorana são eletricamente neutros e também suas próprias antipartículas. Essas partículas exóticas podem, por exemplo, surgem como quase-partículas em supercondutores topológicos e representam blocos de construção ideais para computadores quânticos topológicos.

Indo para duas dimensões

No caminho para esses computadores quânticos topológicos baseados em quase-partículas de Majorana, físicos da Universidade de Würzburg, juntamente com colegas da Universidade de Harvard (EUA), deram um passo importante:Considerando que os experimentos anteriores neste campo se concentraram principalmente em sistemas unidimensionais, as equipes de Würzburg e Harvard conseguiram passar para sistemas bidimensionais.

Nesta colaboração, os grupos de Ewelina Hankiewicz (Theoretische Physik IV) e Laurens Molenkamp (Experimentelle Physik III) da Universidade de Würzburg se uniram aos grupos de Amir Yacoby e Bertrand Halperin da Universidade de Harvard. Suas descobertas são apresentadas na edição atual da revista científica. Natureza .

Dois supercondutores podem simplificar as coisas

"A realização de férmions de Majorana é um dos tópicos mais intensamente estudados na física da matéria condensada, "Ewelina Hankiewicz diz. Segundo ela, realizações anteriores geralmente se concentraram em sistemas unidimensionais, como nanofios. Ela explica que a manipulação de férmions de Majorana é muito difícil nessas configurações. Seria, portanto, necessário um esforço significativo para tornar os férmions de Majorana nessas configurações eventualmente aplicáveis ​​à computação quântica.

Para evitar algumas dessas dificuldades, os pesquisadores estudaram férmions de Majorana em um sistema bidimensional com forte acoplamento spin-órbita. "O sistema que investigamos é uma chamada junção Josephson de fase controlada, isso é, dois supercondutores que são separados por uma região normal, "Laurens Molenkamp explica. A diferença de fase supercondutora entre os dois supercondutores fornece um botão adicional, o que torna um ajuste fino intrincado dos outros parâmetros do sistema, pelo menos parcialmente desnecessário.

Passo importante para um controle aprimorado

No material estudado, um quantum de telureto de mercúrio bem acoplado a uma película fina de alumínio supercondutor, os físicos observaram pela primeira vez uma transição de fase topológica que implica o aparecimento de férmions de Majorana em junções de Josephson de fase controlada.

A configuração realizada experimentalmente aqui constitui uma plataforma versátil para a criação, manipulação e controle de férmions de Majorana, que oferece várias vantagens em comparação com as plataformas unidimensionais anteriores. De acordo com Hankiewicz, "este é um passo importante para um melhor controle dos férmions de Majorana." A prova de conceito de um supercondutor topológico baseado em uma junção de Josephson bidimensional abre novas possibilidades para a pesquisa de férmions de Majorana na física da matéria condensada. Em particular, várias restrições de realizações anteriores de férmions de Majorana podem ser evitadas.

Revolução potencial na tecnologia da computação

Ao mesmo tempo, um controle aprimorado de férmions de Majorana representa um passo importante em direção aos computadores quânticos topológicos. Teoricamente, esses computadores podem ser significativamente mais poderosos do que os computadores convencionais. Portanto, eles têm o potencial de revolucionar a tecnologia da computação.

Próximo, os pesquisadores planejam melhorar as junções Josephson e avançar em direção às junções com regiões normais mais estreitas. Aqui, mais férmions de Majorana localizados são esperados. Eles estudam ainda possibilidades adicionais de manipulação de férmions de Majorana, por exemplo, usando outros semicondutores.