Físicos do MIT e de outros lugares observaram evidências de férmions de Majorana - partículas que teoricamente também são suas próprias antipartículas - na superfície de um metal comum:ouro. Este é o primeiro avistamento de férmions de Majorana em uma plataforma que pode ser potencialmente aumentada. Os resultados, publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences , são um passo importante para isolar as partículas como estáveis, qubits à prova de erros para computação quântica.

Na física de partículas, férmions são uma classe de partículas elementares que incluem elétrons, prótons, nêutrons, e quarks, todos os quais constituem os blocos de construção da matéria. Em geral, essas partículas são consideradas férmions de Dirac, depois do físico inglês Paul Dirac, quem primeiro previu que todas as partículas fundamentais fermiônicas deveriam ter uma contraparte, em algum lugar do universo, na forma de uma antipartícula - essencialmente, um gêmeo idêntico de carga oposta.

Em 1937, o físico teórico italiano Ettore Majorana estendeu a teoria de Dirac, prevendo que entre férmions, deve haver algumas partículas, desde então nomeado férmions de Majorana, que são indistinguíveis de suas antipartículas. Misteriosamente, o físico desapareceu durante uma viagem de balsa na costa italiana apenas um ano depois de fazer sua previsão. Os cientistas têm procurado a partícula enigmática de Majorana desde então. Isso foi sugerido, mas não provado, que o neutrino pode ser uma partícula de Majorana. Por outro lado, os teóricos previram que os férmions de Majorana também podem existir em sólidos sob condições especiais.

Agora, a equipe liderada pelo MIT observou evidências de férmions de Majorana em um sistema de materiais que eles projetaram e fabricaram, que consiste em nanofios de ouro cultivados sobre um material supercondutor, vanádio, e pontilhada com pequenas, "ilhas" ferromagnéticas de sulfeto de európio. Quando os pesquisadores escanearam a superfície perto das ilhas, eles viram picos de sinal de assinatura perto de zero de energia na superfície superior do ouro que, de acordo com a teoria, só deve ser gerado por pares de férmions de Majorana.

"Os ferminons de Majorana são coisas exóticas, que há muito tem sido um sonho de ver, e agora os vemos em um material muito simples - ouro, "disse Jagadeesh Moodera, um cientista pesquisador sênior no Departamento de Física do MIT. "Nós mostramos que eles estão lá, e estável, e facilmente escalonável. "

"O próximo impulso será pegar esses objetos e transformá-los em qubits, o que seria um grande progresso em direção à computação quântica prática, "acrescenta o co-autor Patrick Lee, o William e Emma Rogers Professor de Física no MIT.

Os co-autores de Lee e Moodera incluem o ex-pós-doutorado do MIT e o primeiro autor Sujit Manna (atualmente no corpo docente do Instituto Indiano de Tecnologia em Delhi), e o ex-pós-doutorado do MIT Peng Wei, da Universidade da Califórnia em Riverside, juntamente com Yingming Xie e Kam Tuen Law da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong.

Alto risco

Se eles pudessem ser controlados, Férmions de Majorana seriam ideais como qubits, ou unidades computacionais individuais para computadores quânticos. A ideia é que um qubit seria feito de combinações de pares de férmions de Majorana, cada um dos quais seria separado de seu parceiro. Se os erros de ruído afetam um membro do par, o outro deve permanecer inalterado, preservando assim a integridade do qubit e permitindo que ele execute um cálculo corretamente.

Os cientistas procuraram férmions de Majorana em semicondutores, os materiais usados ​​no convencional, computação baseada em transistores. Em seus experimentos, pesquisadores combinaram semicondutores com supercondutores - materiais através dos quais os elétrons podem viajar sem resistência. Esta combinação confere propriedades supercondutoras aos semicondutores convencionais, que os físicos acreditam que deve induzir as partículas no semicondutor a se dividir, formando o par de férmions de Majorana.

"Existem várias plataformas materiais onde as pessoas acreditam ter visto partículas de Majorana, "Lee diz." A evidência é cada vez mais forte, mas ainda não está 100 por cento comprovado. "

O que mais, as configurações baseadas em semicondutores até agora têm sido difíceis de escalar para produzir os milhares ou milhões de qubits necessários para um computador quântico prático, porque eles exigem o crescimento de cristais muito precisos de material semicondutor e é muito desafiador transformá-los em supercondutores de alta qualidade.

Cerca de uma década atrás, Lee, trabalhando com seu aluno de graduação Andrew Potter, teve uma ideia:talvez os físicos possam ser capazes de observar férmions de Majorana em metal, um material que prontamente se torna supercondutor na proximidade de um supercondutor. Os cientistas fazem metais rotineiramente, incluindo ouro, em supercondutores. A ideia de Lee era ver se o estado da superfície do ouro - sua camada superior de átomos - poderia ser supercondutor. Se isso pudesse ser alcançado, então o ouro poderia servir como um produto limpo, sistema atomicamente preciso no qual os pesquisadores puderam observar férmions de Majorana.

Lee propôs, com base no trabalho anterior da Moodera com isoladores ferromagnéticos, que se fosse colocado no topo de uma superfície supercondutora de ouro, então os pesquisadores devem ter uma boa chance de ver claramente as assinaturas dos férmions de Majorana.

"Quando propusemos isso pela primeira vez, Não consegui convencer muitos experimentalistas a tentar, porque a tecnologia era assustadora, "diz Lee, que eventualmente se associou ao grupo experimental da Moodera para garantir um financiamento crucial da Fundação Templeton para realizar o projeto." Jagadeesh e Peng realmente tiveram que reinventar a roda. Foi extremamente corajoso entrar nisso, porque é realmente de alto risco, mas achamos um alto retorno, coisa."

"Encontrando Majorana"

Nos últimos anos, os pesquisadores caracterizaram o estado da superfície do ouro e provaram que ele poderia funcionar como uma plataforma para a observação de férmions de Majorana, depois disso, o grupo começou a fabricar a configuração que Lee imaginou anos atrás.

Eles primeiro cultivaram uma folha de vanádio supercondutor, em cima do qual eles sobrepuseram nanofios de camada de ouro, medindo cerca de 4 nanômetros de espessura. Eles testaram a condutividade da camada superior do ouro, e descobri que sim, na verdade, tornam-se supercondutores na proximidade com o vanádio. Eles então depositaram sobre as "ilhas" de nanofios de ouro de sulfeto de európio, um material ferromagnético que é capaz de fornecer os campos magnéticos internos necessários para criar os férmions de Majorana.

A equipe então aplicou uma pequena voltagem e usou microscopia de tunelamento de varredura, uma técnica especializada que permitiu aos pesquisadores escanear o espectro de energia ao redor de cada ilha na superfície do ouro.

Moodera e seus colegas procuraram uma assinatura de energia muito específica que apenas os férmions de Majorana deveriam produzir, se eles existem. Em qualquer material supercondutor, os elétrons viajam em certas faixas de energia. No entanto, existe um deserto, ou "lacuna de energia" onde não deveria haver elétrons. Se houver um pico dentro dessa lacuna, é muito provavelmente uma assinatura de férmions de Majorana.

Olhando seus dados, os pesquisadores observaram picos dentro desta lacuna de energia em extremidades opostas de várias ilhas ao longo da direção do campo magnético, que eram assinaturas claras de pares de férmions de Majorana.

"Só vemos este pico em lados opostos da ilha, como a teoria previu, "Moodera diz." Em qualquer outro lugar, você não vê isso. "

"Em minhas palestras, Gosto de dizer que estamos encontrando Majorana, em uma ilha em um mar de ouro, "Lee acrescenta.

Moodera diz que a configuração da equipe, exigindo apenas três camadas - ouro imprensado entre um ferromagneto e um supercondutor - é um "facilmente alcançável, sistema estável "que também deve ser economicamente escalonável em comparação com o convencional, abordagens baseadas em semicondutores para gerar qubits.

"Ver um par de férmions de Majorana é um passo importante para fazer um qubit, "Wei diz." O próximo passo é fazer um qubit a partir dessas partículas, e agora temos algumas idéias de como fazer isso. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.