p Pesquisadores da Universidade de Maryland capturaram a evidência mais direta até o momento de uma peculiaridade quântica que permite que as partículas passem por uma barreira como se ela nem estivesse lá. O resultado, destaque na capa do dia 20 de junho, Edição da revista 2019 Natureza , pode permitir que os engenheiros projetem componentes mais uniformes para futuros computadores quânticos, sensores quânticos e outros dispositivos. p O novo experimento é uma observação do túnel de Klein, um caso especial de um fenômeno quântico mais comum. No mundo quântico, o tunelamento permite que partículas como elétrons passem por uma barreira, mesmo que não tenham energia suficiente para realmente escalá-la. Uma barreira mais alta geralmente torna isso mais difícil e permite que menos partículas passem.

p O tunelamento de Klein ocorre quando a barreira se torna completamente transparente, abrindo um portal que as partículas podem atravessar independentemente da altura da barreira. Cientistas e engenheiros do Centro de Nanofísica e Materiais Avançados (CNAM) da UMD, o Joint Quantum Institute (JQI) e o Condensed Matter Theory Center (CMTC), com nomeações no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UMD e no Departamento de Física, fizeram as medições mais convincentes do efeito.

p "O tunelamento de Klein era originalmente um efeito relativístico, previsto pela primeira vez há quase cem anos, "diz Ichiro Takeuchi, professor de ciência e engenharia de materiais (MSE) na UMD e autor sênior do novo estudo. "Até recentemente, no entanto, você não poderia observá-lo. "

p Era quase impossível coletar evidências de um túnel de Klein onde foi previsto pela primeira vez - o mundo das partículas quânticas de alta energia movendo-se perto da velocidade da luz. Mas nas últimas décadas, os cientistas descobriram que algumas das regras que governam as partículas quânticas de movimento rápido também se aplicam às partículas relativamente lentas que viajam perto da superfície de alguns materiais incomuns.

p Um desses materiais - que os pesquisadores usaram no novo estudo - é o hexaboreto de samário (SmB6), uma substância que se torna um isolante topológico em baixas temperaturas. Em um isolante normal como madeira, borracha ou ar, elétrons estão presos, incapaz de se mover mesmo quando a tensão é aplicada. Assim, ao contrário de seus camaradas livres em um fio de metal, elétrons em um isolador não podem conduzir corrente.

p Isoladores topológicos como o SmB6 se comportam como materiais híbridos. Em temperaturas baixas o suficiente, o interior do SmB6 é um isolante, mas a superfície é metálica e permite aos elétrons alguma liberdade para se moverem. Adicionalmente, a direção em que os elétrons se movem fica presa a uma propriedade quântica intrínseca chamada spin, que pode ser orientada para cima ou para baixo. Os elétrons que se movem para a direita sempre terão seu spin apontando para cima, por exemplo, e os elétrons que se movem para a esquerda terão seu spin apontando para baixo.

p A superfície metálica do SmB6 não teria sido suficiente para detectar o túnel de Klein, no entanto. Descobriu-se que Takeuchi e seus colegas precisavam transformar a superfície do SmB6 em um supercondutor - um material que pode conduzir corrente elétrica sem qualquer resistência.

p Para transformar SmB6 em um supercondutor, eles colocaram uma fina película sobre uma camada de hexaboreto de ítrio (YB6). Quando toda a montagem foi resfriada a apenas alguns graus acima do zero absoluto, o YB6 se tornou um supercondutor e, devido a sua proximidade, a superfície metálica do SmB6 tornou-se um supercondutor, também.

p Foi um "pedaço de sorte" que SmB6 e seu parente trocado por ítrio compartilhavam a mesma estrutura de cristal, diz Johnpierre Paglione, um professor de física na UMD, o diretor do CNAM e co-autor do artigo de pesquisa. "Contudo, a equipa multidisciplinar que possuímos foi uma das chaves para este sucesso. Tendo especialistas em física topológica, síntese de filme fino, espectroscopia e compreensão teórica realmente nos levaram a este ponto, "Paglione acrescenta.

p A combinação provou ser a combinação certa para observar o tunelamento de Klein. Ao colocar uma pequena ponta de metal em contato com a parte superior do SmB6, a equipe mediu o transporte de elétrons da ponta para o supercondutor. Eles observaram uma condutância perfeitamente duplicada - uma medida de como a corrente através de um material muda conforme a voltagem através dele varia.

p "Quando observamos a duplicação pela primeira vez, Não acreditei, "Takeuchi diz." Afinal, é uma observação incomum, então pedi ao meu pós-doutorado Seunghun Lee e ao cientista pesquisador Xiaohang Zhang para voltar e fazer o experimento novamente. "

p Quando Takeuchi e seus colegas experimentais se convenceram de que as medições eram precisas, eles não entenderam inicialmente a fonte da condutância dupla. Então, eles começaram a procurar uma explicação. Victor Galitski da UMD, um companheiro JQI, professor de física e membro do CMTC, sugeriu que o tunelamento de Klein pode estar envolvido.

p "Inicialmente, foi apenas um palpite, "Galitski diz." Mas com o tempo, ficamos mais convencidos de que o cenário de Klein pode realmente ser a causa subjacente das observações. "

p Valentin Stanev, um cientista de pesquisa associado no MSE e um cientista de pesquisa na JQI, seguiu o palpite de Galitski e elaborou uma teoria cuidadosa de como o tunelamento de Klein poderia surgir no sistema SmB6 - em última análise, fazendo previsões que combinavam bem com os dados experimentais.

p A teoria sugere que o tunelamento de Klein se manifesta neste sistema como uma forma perfeita de reflexão de Andreev, um efeito presente em cada fronteira entre um metal e um supercondutor. A reflexão de Andreev pode ocorrer sempre que um elétron do metal salta para um supercondutor. Dentro do supercondutor, elétrons são forçados a viver em pares, então, quando um elétron salta, ele pega um amigo.

p Para equilibrar a carga elétrica antes e depois do salto, uma partícula com a carga oposta - que os cientistas chamam de buraco - deve refletir de volta para o metal. Esta é a marca registrada da reflexão de Andreev:um elétron entra, um buraco volta para fora. E uma vez que um buraco se movendo em uma direção carrega a mesma corrente que um elétron se movendo na direção oposta, todo esse processo dobra a condutância geral - a assinatura de Klein tunelando através de uma junção de um metal e um supercondutor topológico.

p Em junções convencionais entre um metal e um supercondutor, sempre há alguns elétrons que não fazem o salto. Eles se espalham fora da fronteira, reduzindo a quantidade de reflexão de Andreev e evitando uma duplicação exata da condutância.

p Mas, como os elétrons na superfície do SmB6 têm sua direção de movimento ligada ao seu spin, os elétrons próximos ao limite não podem se recuperar - o que significa que eles sempre transitarão direto para o supercondutor.

p "O tunelamento de Klein também foi visto no grafeno, "Takeuchi diz." Mas aqui, porque é um supercondutor, Eu diria que o efeito é mais espetacular. Você obtém essa duplicação exata e um cancelamento completo da dispersão, e não há análogo disso no experimento de grafeno. "

p Junções entre supercondutores e outros materiais são ingredientes em algumas arquiteturas de computador quântico propostas, bem como em dispositivos de detecção de precisão. A maldição desses componentes sempre foi que cada junção é ligeiramente diferente, Takeuchi diz, exigindo ajuste e calibração infinitos para alcançar o melhor desempenho. Mas com o tunelamento de Klein em SmB6, os pesquisadores podem finalmente ter um antídoto para essa irregularidade.

p "Na eletrónica, a propagação de dispositivo para dispositivo é o inimigo número um, "Takeuchi diz." Aqui está um fenômeno que elimina a variabilidade. "

p O artigo de pesquisa, "Reflexão perfeita de Andreev devido ao paradoxo de Klein em um estado supercondutor topológico, "Seunghun Lee, Valentin Stanev, Xiaohang Zhang, Drew Stasak, Jack Flowers, Joshua S. Higgins, Sheng Dai, Thomas Blum, Xiaoqing Pan, Victor M. Yakovenko, Johnpierre Paglione, Richard L. Greene, Victor Galitski, e Ichiro Takeuchi, foi publicado no jornal Natureza em 20 de junho, 2019.