Novas medições mostram evidências da presença de partículas exóticas de Majorana na superfície de um supercondutor não convencional, Ditelureto de urânio. Crédito:Dr. E. Edwards, Diretor Executivo do Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST).
Perseguição de partículas - é um jogo que tantos físicos jogam. Às vezes, a caça ocorre dentro de grandes supercolliders, onde colisões espetaculares são necessárias para encontrar partículas ocultas e novas físicas. Para físicos estudando sólidos, o jogo ocorre em um ambiente muito diferente e as partículas procuradas não vêm de colisões furiosas. Em vez de, entidades parecidas com partículas, chamadas quasipartículas, emergem de complicadas interações eletrônicas que acontecem nas profundezas de um material. Às vezes, as quasipartículas são fáceis de sondar, mas outros são mais difíceis de detectar, espreitando fora de alcance.
Novas medições mostram evidências da presença de partículas exóticas de Majorana na superfície de um supercondutor não convencional, Ditelureto de urânio. Gráfico fornecido pelo Dr. E. Edwards, Diretor Executivo do Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST).
Agora uma equipe de pesquisadores da Universidade de Illinois, liderado pelo físico Vidya Madhavan, em colaboração com pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, a Universidade de Maryland, Boston College, e ETH Zurique, usaram ferramentas de microscopia de alta resolução para examinar o funcionamento interno de um tipo incomum de supercondutor, ditelureto de urânio (UTe 2 ) Suas medições revelam fortes evidências de que este material pode ser um lar natural para uma quasipartícula exótica que se escondeu dos físicos por décadas. O estudo foi publicado na edição de 26 de março da Natureza .
As partículas em questão foram teorizadas em 1937 por um físico italiano chamado Ettore Majorana, e desde então, os físicos vêm tentando provar que eles podem existir. Os cientistas acham que uma classe particular de materiais chamados supercondutores quirais não convencionais podem hospedar naturalmente Majoranas. UTe 2 pode ter todas as propriedades certas para gerar essas quasipartículas indescritíveis.
"Conhecemos a física dos supercondutores convencionais e entendemos como eles podem conduzir eletricidade ou transportar elétrons de uma ponta a outra de um fio sem resistência, "disse Madhavan." Supercondutores não convencionais quirais são muito mais raros, e a física é menos conhecida. Entendê-los é importante para a física fundamental e tem aplicações potenciais em computação quântica, " ela disse.
Dentro de um supercondutor normal, os elétrons se emparelham de uma forma que permite a ausência de perdas, correntes persistentes. Isso está em contraste com um condutor normal, como fio de cobre, que aquece conforme a corrente passa por ele. Parte da teoria por trás da supercondutividade foi formulada décadas atrás por três cientistas da Universidade de I, que ganharam um prêmio Nobel de física por seu trabalho. Para este tipo convencional de supercondutividade, os campos magnéticos são o inimigo e separam os pares, retornando o material de volta ao normal. Ao longo do último ano, os pesquisadores mostraram que o ditelureto de urânio se comporta de maneira diferente.
Em 2019, Sheng Ran, Nicholas Butch (ambos co-autores deste estudo) e seus colaboradores anunciaram que UTe 2 permanece supercondutor na presença de campos magnéticos de até 65 Tesla, que é cerca de 10, 000 vezes mais forte do que um ímã de geladeira. Este comportamento não convencional, combinado com outras medidas, levou os autores desse artigo a supor que os elétrons estavam se emparelhando de uma forma incomum que os permitiu resistir a rupturas. O emparelhamento é importante porque supercondutores com esta propriedade podem muito provavelmente ter partículas de Majorana na superfície. O novo estudo de Madhavan e colaboradores reforça o caso.
A equipe usou um microscópio de alta resolução chamado microscópio de tunelamento de varredura para procurar evidências do emparelhamento incomum de elétrons e partículas de Majorana. Este microscópio pode não apenas mapear a superfície do ditelureto de urânio até o nível dos átomos, mas também investigar o que está acontecendo com os elétrons. O próprio material é prateado com degraus que se projetam da superfície. Essas características da etapa são onde a evidência de quasipartículas de Majorana é melhor vista. Eles fornecem uma vantagem limpa que, se as previsões estiverem corretas, deve mostrar assinaturas de uma corrente contínua que se move em uma direção, mesmo sem a aplicação de tensão. A equipe examinou os lados opostos da escada e viu um sinal com um pico. Mas o pico foi diferente, dependendo de qual lado da etapa foi digitalizado.
"Olhando para os dois lados da etapa, você vê um sinal que é uma imagem espelhada um do outro. Em um supercondutor normal, você não pode encontrar isso, "disse Madhavan." A melhor explicação para ver as imagens no espelho é que estamos medindo diretamente a presença de partículas de Majorana em movimento, "disse Madhavan. A equipe diz que as medições indicam que as quasipartículas de Majorana de movimento livre estão circulando juntas em uma direção, dando origem ao espelhado, ou quiral, sinais.
Madhavan diz que o próximo passo é fazer medições que confirmem que o material quebrou a simetria de reversão do tempo. Isso significa que as partículas deveriam se mover de maneira diferente se a seta do tempo fosse teoricamente invertida. Esse estudo forneceria evidências adicionais para a natureza quiral do UTe 2 .
Se confirmado, ditelureto de urânio seria o único material, diferente do superfluido He-3, provado ser um supercondutor quiral não convencional. "Esta é uma grande descoberta que nos permitirá entender esse tipo raro de supercondutividade, e talvez, em tempo, poderíamos até manipular quasipartículas de Majorana de uma forma útil para a ciência da informação quântica. "
