Pegue um lápis. Faça uma marca em um pedaço de papel. Parabéns:você está fazendo física de matéria condensada de ponta. Você pode até estar deixando a primeira marca no caminho para os computadores quânticos, de acordo com a nova pesquisa de perímetro.

Apresentando o grafeno

Um dos materiais mais quentes na pesquisa de matéria condensada hoje é o grafeno.

O grafeno teve um começo improvável:começou com pesquisadores brincando com marcas de lápis no papel. Lápis "chumbo" é na verdade feito de grafite, que é uma rede de cristal macia feita de nada além de átomos de carbono. Quando os lápis depositam esse grafite no papel, a estrutura é colocada em folhas finas. Ao separar essa estrutura em folhas mais finas - originalmente usando fita adesiva - os pesquisadores descobriram que podiam fazer flocos de cristal com apenas um átomo de espessura.

O nome dessa tela de arame em escala atômica é grafeno. Essas pessoas com a fita adesiva, Andre Geim e Konstantin Novoselov, ganhou o Prêmio Nobel de 2010 por descobri-lo. "Como material, é completamente novo - não apenas o mais fino de todos, mas também o mais forte, "escreveu o comitê do Nobel." Como condutor de eletricidade, ele tem um desempenho tão bom quanto o do cobre. Como condutor de calor, ele supera todos os outros materiais conhecidos. É quase totalmente transparente, ainda assim tão denso que nem mesmo o hélio, o menor átomo de gás, pode passar por ele. "

Desenvolvendo um modelo teórico de grafeno

O grafeno não é apenas uma maravilha prática - é também um país das maravilhas para os teóricos. Confinado à superfície bidimensional do grafeno, os elétrons se comportam de maneira estranha. Todos os tipos de novos fenômenos podem ser vistos, e novas idéias podem ser testadas. Testar novas ideias em grafeno é exatamente o que os pesquisadores de perímetro Zlatko Papić e Dmitry (Dima) Abanin se propuseram a fazer.

"Dima e eu começamos a trabalhar com grafeno há muito tempo, "diz Papić." Nós nos encontramos pela primeira vez em 2009 em uma conferência na Suécia. Eu era um estudante de graduação e Dima estava no primeiro ano de seu pós-doutorado, Eu penso."

Os dois jovens cientistas começaram a falar sobre que nova física eles poderiam ser capazes de observar no estranho novo material quando exposto a um forte campo magnético.

"Decidimos que queríamos modelar o material, "diz Papić. Eles estão trabalhando em seu modelo teórico de grafeno, ligado e desligado, desde então. Os dois estão agora no Perimeter Institute, onde Papić é um pesquisador de pós-doutorado e Abanin é um membro do corpo docente. Ambos são indicados pelo Instituto de Computação Quântica (IQC) da Universidade de Waterloo.

Em janeiro de 2014, eles publicaram um artigo em Cartas de revisão física (PRL) apresentando novas idéias sobre como induzir um estado estranho, mas interessante no grafeno - um onde parece que as partículas dentro dele têm uma fração da carga de um elétron.

É chamado de efeito Hall quântico fracionário (FQHE), e está girando a cabeça. Como a velocidade da luz ou a constante de Planck, a carga do elétron é um ponto fixo no desorientador universo quântico.

Cada sistema no universo carrega múltiplos inteiros da carga de um único elétron. Quando o FQHE foi descoberto pela primeira vez na década de 1980, os físicos da matéria condensada rapidamente descobriram que as "partículas" com carga fracionária dentro de seus semicondutores eram na verdade quase quasipartículas - isto é, comportamentos coletivos emergentes do sistema que imitam partículas.

O grafeno é um material ideal para estudar o FQHE. "Porque tem apenas um átomo de espessura, você tem acesso direto à superfície, "diz Papić." Em semicondutores, onde FQHE foi observado pela primeira vez, o gás dos elétrons que criam esse efeito está enterrado nas profundezas do material. Eles são difíceis de acessar e manipular. Mas com o grafeno você pode imaginar manipular esses estados com muito mais facilidade. "

No jornal de janeiro, Abanin e Papić relataram novos tipos de estados FQHE que podem surgir no grafeno de camada dupla - isto é, em duas folhas de grafeno colocadas uma sobre a outra - quando colocado em um forte campo magnético perpendicular. Em um trabalho anterior de 2012, eles argumentaram que a aplicação de um campo elétrico através da superfície do grafeno de duas camadas poderia oferecer um botão experimental único para induzir transições entre os estados FQHE. Combinando os dois efeitos, eles discutiram, seria uma maneira ideal de observar os estados FQHE especiais e as transições entre eles.

Testes Experimentais

Dois grupos experimentais - um em Genebra, envolvendo Abanin, e um em Columbia, envolvendo Abanin e Papić - desde então, deram um bom uso ao método do campo elétrico + campo magnético. O artigo do grupo Columbia aparece na edição de 4 de julho da Ciência . Um terceiro grupo, liderado por Amir Yacoby de Harvard, está fazendo um trabalho intimamente relacionado.

"Muitas vezes trabalhamos lado a lado com experimentalistas, "diz Papić." Uma das razões pelas quais gosto de matéria condensada é que, muitas vezes, mesmo os mais sofisticados, a teoria de ponta tem uma boa chance de ser rapidamente verificada com experimentos. "

Dentro do campo magnético e elétrico, a resistência elétrica do grafeno demonstra o comportamento estranho característico do FQHE. Em vez de resistência que varia em uma curva suave com a tensão, a resistência salta repentinamente de um nível para outro, e depois planaltos - uma espécie de escada de resistência. Cada degrau da escada é um estado diferente da matéria, definido pelo complexo emaranhado quântico de cargas, rotaciona, e outras propriedades dentro do grafeno.

“O número de estados é bastante rico, "diz Papić." Estamos muito interessados ​​no grafeno de duas camadas por causa do número de estados que estamos detectando e porque temos esses mecanismos - como o ajuste do campo elétrico - para estudar como esses estados estão inter-relacionados, e o que acontece quando o material muda de um estado para outro. "

Para o momento, os pesquisadores estão particularmente interessados ​​nos degraus da escada cuja "altura" é descrita por uma fração com um denominador par. Isso ocorre porque as quasipartículas nesse estado devem ter uma propriedade incomum.

Existem dois tipos de partículas em nosso mundo tridimensional:férmions (como elétrons), onde duas partículas idênticas não podem ocupar um estado, e bósons (como fótons), onde duas partículas idênticas realmente querem ocupar um estado. Em três dimensões, férmions são férmions e bósons são bósons, e nunca os dois se encontrarão.

Mas uma folha de grafeno não tem três dimensões - tem duas. É efetivamente um pequeno universo bidimensional, e nesse universo, novos fenômenos podem ocorrer. Por uma coisa, férmions e bósons podem se encontrar no meio do caminho - tornando-se anyons, que pode estar em qualquer lugar entre férmions e bósons. Espera-se que as quasipartículas nesses estados de degraus de escada especiais sejam anyons.

Em particular, os pesquisadores esperam que essas quasipartículas sejam anyons não Abelianos, como sua teoria indica que deveriam ser. Isso seria empolgante porque anyons não Abelianos podem ser usados ​​na fabricação de qubits.

Qubits de grafeno?

Qubits são para os computadores quânticos o que os bits são para os computadores comuns:tanto uma unidade básica de informação quanto a peça básica do equipamento que armazena essa informação. Por causa de sua complexidade quântica, qubits são mais poderosos do que bits comuns e seu poder cresce exponencialmente à medida que mais deles são adicionados. Um computador quântico de apenas cem qubits pode resolver certos problemas além do alcance até mesmo dos melhores supercomputadores não quânticos. Ou, poderia, se alguém pudesse encontrar uma maneira de construir qubits estáveis.

O impulso para fazer qubits é parte da razão pela qual o grafeno é uma área de pesquisa quente em geral, e por que os estados de denominador par FQHE - com seus anyons especiais - são procurados em particular. "Um estado com algum número desses anyons pode ser usado para representar um qubit, "diz Papić." Nossa teoria diz que eles deveriam estar lá e os experimentos parecem confirmar isso - certamente os estados FQHE de denominador par parecem estar lá, pelo menos de acordo com os experimentos de Genebra. "

Isso ainda está um passo de distância da prova experimental de que esses estados de degraus de denominador par na verdade contêm anyons não Abelianos. Ainda resta mais trabalho, mas Papić está otimista:"Pode ser mais fácil provar no grafeno do que em semicondutores. Tudo está acontecendo bem na superfície."

É cedo ainda, mas parece que o grafeno de duas camadas pode ser o material mágico que permite a construção desse tipo de qubit. Essa seria uma marca importante na linha improvável entre grafite de lápis e computadores quânticos.