p Tão misterioso quanto o cientista italiano que o deu nome, a partícula de Majorana é uma das buscas mais atraentes da física. p Sua fama vem de suas propriedades estranhas - é a única partícula que é sua própria antipartícula - e de seu potencial para ser aproveitado para computação quântica futura.

p Nos últimos anos, um punhado de grupos, incluindo uma equipe de Princeton, relatou ter encontrado o Majorana em vários materiais, mas o desafio é como manipulá-lo para a computação quântica.

p Em um novo estudo publicado esta semana, a equipe de Princeton relata uma maneira de controlar as quasipartículas de Majorana em um ambiente que também as torna mais robustas. O cenário - que combina um supercondutor e um material exótico chamado isolante topológico - torna Majoranas especialmente resistente à destruição por calor ou vibrações do ambiente externo. O que é mais, a equipe demonstrou uma maneira de ligar ou desligar o Majorana usando pequenos ímãs integrados ao dispositivo. A reportagem apareceu no jornal Ciência .

p "Com este novo estudo, agora temos uma nova maneira de projetar quasipartículas de Majorana em materiais, "disse Ali Yazdani, Professor de Física da turma de 1909 e autor sênior do estudo. "Podemos verificar sua existência por imagens deles e podemos caracterizar suas propriedades previstas."

p O Majorana é nomeado em homenagem ao físico Ettore Majorana, que previu a existência da partícula em 1937, apenas um ano antes de desaparecer misteriosamente durante uma viagem de balsa na costa italiana. Partindo da mesma lógica com a qual o físico Paul Dirac previu em 1928 que o elétron deve ter uma antipartícula, mais tarde identificado como o pósitron, Majorana teorizou a existência de uma partícula que é sua própria antipartícula.

p Normalmente, quando matéria e antimatéria vêm juntas, eles se aniquilam em uma liberação violenta de energia, mas as Majoranas, quando eles aparecem como pares em cada extremidade de fios especialmente projetados, podem ser relativamente estáveis ​​e interagir fracamente com seu ambiente. Os pares permitem o armazenamento de informações quânticas em dois locais distintos, tornando-os relativamente robustos contra distúrbios, porque para mudar o estado quântico são necessárias operações em ambas as extremidades do fio ao mesmo tempo.

p Essa capacidade cativou tecnólogos que imaginam uma maneira de fazer bits quânticos - as unidades de computação quântica - que são mais robustas do que as abordagens atuais. Os sistemas quânticos são valorizados por seu potencial para resolver problemas impossíveis de resolver com os computadores de hoje, mas eles exigem a manutenção de um estado frágil chamado superposição, que se interrompido, pode resultar em falhas do sistema.

p Um computador quântico baseado em Majorana armazenaria informações em pares de partículas e realizaria cálculos entrelaçando-as umas nas outras. Os resultados do cálculo seriam determinados pela aniquilação de Majoranas entre si, que pode resultar no aparecimento de um elétron (detectado por sua carga) ou em nada, dependendo de como o par de Majoranas foi trançado. O resultado probabilístico da aniquilação do par de Majorana fundamenta seu uso para a computação quântica.

p O desafio é como criar e controlar facilmente as Majoranas. Um dos lugares onde eles podem existir é nas extremidades de uma cadeia de átomos magnéticos com a espessura de um único átomo em um leito supercondutor. Em 2014, reportando Ciência , Yazdani e colaboradores usaram um microscópio de tunelamento de varredura (STM), em que uma ponta é arrastada sobre os átomos para revelar a presença de quasipartículas, para encontrar Majoranas em ambas as extremidades de uma cadeia de átomos de ferro repousando na superfície de um supercondutor.

p A equipe passou a detectar o "spin quântico" de Majorana, "uma propriedade compartilhada por elétrons e outras partículas subatômicas. Em um relatório publicado na Science em 2017, a equipe afirmou que a propriedade de spin de Majorana é um sinal único para determinar se uma quase-partícula detectada é de fato uma Majorana.

p Neste último estudo, a equipe explorou outro local previsto para encontrar Majoranas:no canal que se forma na borda de um isolante topológico quando é colocado em contato com um supercondutor. Supercondutores são materiais em que os elétrons podem viajar sem resistência, e isoladores topológicos são materiais nos quais os elétrons fluem apenas ao longo das bordas.

p A teoria prevê que as quasipartículas de Majorana podem se formar na borda de uma fina folha de isolante topológico que entra em contato com um bloco de material supercondutor. A proximidade do supercondutor persuade os elétrons a fluir sem resistência ao longo da borda do isolador topológico, que é tão fino que pode ser considerado um fio. Uma vez que as Majoranas se formam no final dos fios, deve ser possível fazê-los aparecer cortando o fio.

p "Foi uma predição, e ficou lá todos esses anos, ", disse Yazdani." Decidimos explorar como alguém poderia realmente fazer essa estrutura por causa de seu potencial para fazer Majoranas que seriam mais resistentes às imperfeições do material e à temperatura. "

p A equipe construiu a estrutura evaporando uma fina folha de isolante topológico de bismuto sobre um bloco de supercondutor de nióbio. Eles colocaram bits de memória magnética do tamanho de nanômetros na estrutura para fornecer um campo magnético, que atrapalha o fluxo de elétrons, produzindo o mesmo efeito do corte do fio. Eles usaram o STM para visualizar a estrutura.

p Ao usar seu microscópio para caçar Majorana, Contudo, os pesquisadores ficaram inicialmente perplexos com o que viram. Algumas vezes eles viram o Majorana aparecer, e outras vezes eles não conseguiam encontrá-lo. Após uma exploração mais aprofundada, eles perceberam que o Majorana só aparece quando os pequenos ímãs são magnetizados na direção paralela à direção do fluxo de elétrons ao longo do canal.

p "Quando começamos a caracterizar os pequenos ímãs, percebemos que eles são o parâmetro de controle, "disse Yazdani." A forma como a magnetização da bit é orientada determina se o Majorana aparece ou não. É um botão liga-desliga. "

p A equipe relatou que a quasipartícula de Majorana que se forma neste sistema é bastante robusta porque ocorre em energias que são distintas das outras quasipartículas que podem existir no sistema. A robustez também decorre de sua formação em um modo de borda topológica, que é inerentemente resistente a interrupções. Os materiais topológicos derivam seu nome do ramo da matemática que descreve como os objetos podem ser deformados ao se esticar ou dobrar. Os elétrons que fluem em um material topológico, portanto, continuarão se movendo em torno de quaisquer amassados ​​ou imperfeições.