Um dispositivo que pode separar e recombinar pares de elétrons pode oferecer uma maneira de estudar uma forma incomum de supercondutividade, de acordo com os físicos RIKEN. Esse estado supercondutor envolveria partículas exóticas chamadas férmions de Majorana, que poderiam ser úteis no desenvolvimento de computadores quânticos.

Em supercondutores convencionais, a corrente elétrica flui sem resistência devido aos elétrons se unirem para formar 'pares de Cooper'. Um supercondutor tocando um condutor normal às vezes pode induzir supercondutividade nesse condutor por meio de pares Cooper do supercondutor que penetra no condutor normal.

Agora, Sadashige Matsuo do RIKEN Center for Emergent Matter Science e seus colegas criaram um dispositivo chamado junção Josephson, que pode dividir com eficiência esses pares Cooper conforme eles viajam de um supercondutor em dois condutores normais unidimensionais (Fig. 1). Anteriormente, a maioria das investigações de divisão de pares de Cooper foram feitas usando 'pontos quânticos' de dimensão zero conectados por supercondutores.

O dispositivo tinha dois eletrodos de alumínio, que se tornam supercondutores quando resfriados a apenas 1/20 de grau acima do zero absoluto. Os eletrodos são interligados por dois nanofios semicondutores. A equipe conseguiu uma divisão eficiente dos pares de Cooper quando os elétrons viajaram nos nanofios sem serem espalhados por objetos como os pontos quânticos. Isso está em contraste com estudos anteriores.

Conforme os pares de Cooper viajam entre os eletrodos supercondutores, eles podem ficar juntos e viajar ao longo de um único condutor de nanofio, um efeito conhecido como tunelamento de par local, ou eles podem se dividir de modo que cada elétron viaje por um nanofio diferente. Apesar de sua separação física, os dois elétrons são conectados por meio de um efeito chamado emaranhamento quântico.

Ajustando a tensão que controlava o fluxo de elétrons, a equipe garantiu que mais da metade dos pares de Cooper se separassem enquanto viajavam pelos nanofios, provando que o dispositivo pode suprimir o tunelamento do par local (devido às interações elétron-elétron nos nanofios). Ao chegar ao outro lado, os elétrons se recombinaram em pares de Cooper. Os pesquisadores também descobriram que a aplicação de um campo magnético restringiu a divisão do par de Cooper mais do que o tunelamento do par local.

Esses resultados indicam que o dispositivo pode ser usado para gerar o que é conhecido como um estado supercondutor topológico, em que a superposição de um elétron e um buraco gera férmions de Majorana, um tipo peculiar de partícula que é equivalente à sua própria antipartícula. Os férmions de Majorana são de interesse porque podem ser usados ​​como 'bits' quânticos que transportam informações em certos tipos de computador quântico, que prometem ter um poder de processamento muito maior do que as tecnologias convencionais permitem.

"Nosso próximo passo é buscar as impressões digitais dos férmions de Majorana nas junções supercondutoras de um nanofio duplo, "Matsuo diz.