Nomeadas em homenagem a um físico teórico italiano, as Majoranas são quasipartículas complexas que podem ser a chave para a construção de sistemas de computação quântica de próxima geração.



A maioria dos materiais contém muitos elétrons, cada um dos quais com carga negativa e um tipo de momento quântico intrínseco conhecido como spin. As interações entre elétrons em alguns materiais podem produzir partículas emergentes, ou partículas que possuem características totalmente diferentes dos elétrons que as compõem. Os exemplos incluem materiais nos quais a rotação e a carga se separam e materiais nos quais a unidade de carga se divide em frações menores.

Majoranas, que se enquadram nesta categoria de partículas emergentes, podem existir em certos tipos de supercondutores e num estado quântico da matéria conhecido como líquido de spin. Duas Majoranas se combinam para formar um elétron, então os cientistas pretendem identificar materiais nos quais essas Majoranas possam existir separadamente. Fazer isso permitiria aos investigadores observar as capacidades únicas que estas partículas demonstram por si mesmas – incluindo métodos eficientes para armazenar e transferir informações através de grandes distâncias.

Na busca desse objetivo, uma equipe de pesquisadores que inclui Amir Yacoby, da Universidade de Harvard, membro do Quantum Science Center, sediado no Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, publicou um artigo de revisão na Science. sobre o estado do campo da investigação de Majorana. O QSC é um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do DOE.

A equipa, composta por investigadores de Harvard, da Universidade de Princeton e da Universidade Livre de Berlim, está focada no estudo do comportamento de Majorana para reforçar o conhecimento das aplicações potenciais destas partículas e do seu impacto em fenómenos científicos fundamentais.

“Essas partículas peculiares só existem em certos materiais”, disse Yacoby. "Então, as questões são:em quais materiais eles existem e como? E que tipos de testes podemos fazer para determinar se um determinado material tem potencial para hospedar Majoranas? Responder a essas perguntas é um dos principais desafios neste campo. "

Em seu artigo, os pesquisadores descrevem o progresso feito na última década e se concentram principalmente nas quatro plataformas que se mostram promissoras para isolar e medir Majoranas – nanofios, o efeito Hall quântico fracionário, materiais topológicos e junções Josephson.

Os nanofios, que são a opção mais estudada para a realização de sistemas quânticos baseados em Majorana, são hastes finas feitas de um material semicondutor. Outra forma de criar uma atmosfera hospitaleira para Majoranas é ativar o efeito Hall quântico fracionário, que ocorre quando os elétrons se movem em um plano sujeito a um forte campo magnético.

Muitos materiais topológicos também são hospedeiros potenciais de Majoranas devido à sua estrutura aparentemente contraditória de regiões interiores que atuam como isolantes elétricos e regiões exteriores que conduzem facilmente eletricidade. Finalmente, as junções Josephson consistem em dois supercondutores separados por uma peça normal de metal ou semicondutor. Estudos anteriores do QSC indicaram que esses sanduíches supercondutores poderiam ser projetados para abrigar confortavelmente Majoranas.

“Quando aplicamos novas técnicas a estes diferentes tipos de materiais, o que muitas vezes acontece é que descobrimos coisas que não esperávamos”, disse Yacoby. "Parte do nosso objetivo é entender melhor o que exatamente vemos nas assinaturas que observamos."

Esta pesquisa está alinhada com as prioridades do QSC. Os pesquisadores estão trabalhando com outros membros do QSC, incluindo Prineha Narang da UCLA e Stephen Jesse do ORNL, para continuar a desenvolver novas metodologias teóricas e experimentais destinadas à triagem de materiais para Majoranas.

“Através do QSC, pudemos aproveitar as vantagens das novas tecnologias que estão surgindo na comunidade da ciência quântica”, disse Yacoby. "Isso inclui novas formas de medir e sondar a matéria para conceber novos testes que nos dirão se vale a pena considerar um material como um possível hospedeiro para Majoranas ou não."