Uma equipe conjunta de cientistas da Universidade da Califórnia, Riverside, e o Instituto de Tecnologia de Massachusetts está cada vez mais perto de confirmar a existência de uma partícula quântica exótica chamada férmion de Majorana, crucial para a computação quântica tolerante a falhas - o tipo de computação quântica que trata dos erros durante sua operação.

A computação quântica usa fenômenos quânticos para realizar cálculos. Férmions de Majorana existem na fronteira de supercondutores especiais chamados supercondutores topológicos, que têm uma lacuna supercondutora em seus interiores e abrigam férmions de Majorana do lado de fora, em seus limites. Os férmions de Majorana são um dos objetos mais procurados na física quântica porque são suas próprias antipartículas, eles podem dividir o estado quântico de um elétron pela metade, e eles seguem estatísticas diferentes em comparação com os elétrons. Embora muitos afirmem tê-los identificado, os cientistas ainda não podem confirmar sua natureza quântica exótica.

A equipe UCR-MIT superou o desafio desenvolvendo um novo sistema de material de heteroestrutura, baseado em ouro, que poderia ser potencialmente usado para demonstrar a existência e natureza quântica dos férmions de Majorana. Os materiais heteroestruturados são constituídos por camadas de materiais drasticamente diferentes que, juntos, mostram funcionalidades completamente diferentes quando comparadas às suas camadas individuais.

"É altamente não trivial encontrar um sistema material que seja naturalmente um supercondutor topológico, "disse Peng Wei, um professor assistente de física e astronomia e um experimentalista de matéria condensada, que co-liderou o estudo, aparecendo em Cartas de revisão física , com Jagadeesh Moodera e Patrick Lee do MIT. "Um material precisa satisfazer várias condições rigorosas para se tornar um supercondutor topológico."

O férmion de Majorana, considerado a metade de um elétron, está previsto para ser encontrado nas extremidades de um nanofio supercondutor topológico. Interessantemente, dois férmions de Majorana podem se combinar para formar um elétron, permitindo que os estados quânticos do elétron sejam armazenados não localmente - uma vantagem para a computação quântica tolerante a falhas.

Em 2012, Teóricos do MIT, liderado por Lee, previu que as heteroestruturas de ouro podem se tornar um supercondutor topológico sob condições estritas. Experimentos feitos pela equipe UCR-MIT alcançaram todas as condições necessárias para heteroestruturas de ouro.

"Alcançar tal heteroestrutura é altamente exigente porque vários desafios da física dos materiais precisam ser resolvidos primeiro, "disse Wei, um ex-UCR que voltou ao campus em 2016 do MIT.

Wei explicou que o trabalho de pesquisa mostra supercondutividade, magnetismo, e o acoplamento spin-órbita dos elétrons pode coexistir em ouro - um desafio difícil de enfrentar - e ser misturado manualmente com outros materiais por meio de heteroestruturas.

"Supercondutividade e magnetismo normalmente não coexistem no mesmo material, " ele disse.

O ouro não é um supercondutor, ele adicionou, e nem são os estados do elétron em sua superfície.

"Nosso artigo mostra pela primeira vez que a supercondutividade pode ser trazida aos estados superficiais do ouro, exigindo uma nova física, "disse ele." Nós mostramos que é possível transformar o estado superficial do ouro em um supercondutor, que nunca foi mostrado antes. "

O trabalho de pesquisa também mostra que a densidade de elétrons da supercondutividade nos estados superficiais do ouro pode ser ajustada.

"Isso é importante para a manipulação futura de férmions de Majorana, necessário para uma melhor computação quântica, "Wei disse." Além disso, o estado superficial do ouro é um sistema bidimensional que é naturalmente escalonável, o que significa que permite a construção de circuitos de férmions de Majorana. "

Além de Wei, Moodera, e Lee, a equipe de pesquisa também inclui Sujit Manna e Marius Eich do MIT.