No reino quântico, os elétrons podem se agrupar para se comportar de maneiras interessantes. O magnetismo é um desses comportamentos que vemos em nosso dia-a-dia, assim como os fenômenos mais raros da supercondutividade. Curiosamente, esses dois comportamentos são frequentemente antagonistas, o que significa que a existência de um deles muitas vezes destrói o outro. Contudo, se esses dois estados quânticos opostos forem forçados a coexistir artificialmente, um estado indescritível chamado supercondutor topológico aparece, o que é empolgante para pesquisadores que tentam fazer qubits topológicos.

Os qubits topológicos são empolgantes como uma das tecnologias potenciais para futuros computadores quânticos. Em particular, qubits topológicos fornecem a base para computação quântica topológica, o que é atraente porque é muito menos sensível à interferência de seus arredores por perturbar as medições. Contudo, projetar e controlar qubits topológicos continua sendo um problema criticamente aberto, em última análise, devido à dificuldade de encontrar materiais capazes de hospedar esses estados, como supercondutores topológicos.

Para superar a indefinição dos supercondutores topológicos, que são extremamente difíceis de encontrar em materiais naturais, os físicos desenvolveram metodologias para projetar esses estados combinando materiais comuns. Os ingredientes básicos para projetar supercondutores topológicos - magnetismo e supercondutividade - geralmente requerem a combinação de materiais dramaticamente diferentes. O que mais, a criação de um material supercondutor topológico requer a capacidade de sintonizar com precisão o magnetismo e a supercondutividade, então os pesquisadores têm que provar que seu material pode ser magnético e supercondutor ao mesmo tempo, e que eles podem controlar ambas as propriedades. Em sua busca por tal material, pesquisadores se voltaram para o grafeno.

O grafeno - uma única camada de átomos de carbono - representa um material altamente controlável e comum e foi apontado como um dos materiais críticos para as tecnologias quânticas. Contudo, a coexistência de magnetismo e supercondutividade permaneceu indescritível no grafeno, apesar dos esforços experimentais de longa data que demonstraram a existência desses dois estados de forma independente. Esta limitação fundamental representa um obstáculo crítico para o desenvolvimento da supercondutividade topológica artificial em grafeno.

Em um experimento inovador recente, pesquisadores da UAM na Espanha, CNRS na França, e INL em Portugal, juntamente com o suporte teórico do Prof. Jose Lado na Aalto University, demonstraram um passo inicial ao longo de um caminho em direção aos qubits topológicos no grafeno. Os pesquisadores demonstraram que camadas únicas de grafeno podem hospedar magnetismo e supercondutividade simultâneos, medindo as excitações quânticas exclusivas dessa interação. Esta descoberta revolucionária foi realizada combinando o magnetismo dos domínios do cristal no grafeno, e a supercondutividade de ilhas metálicas depositadas.

"Este experimento mostra que duas ordens quânticas paradigmáticas principais, supercondutividade, e magnetismo, pode coexistir simultaneamente no grafeno, "disse o professor José Lado, "Em última análise, este experimento demonstra que o grafeno pode hospedar simultaneamente os ingredientes necessários para a supercondutividade topológica. Enquanto no experimento atual ainda não observamos a supercondutividade topológica, construindo sobre este experimento, podemos potencialmente abrir um novo caminho para qubits topológicos baseados em carbono. "

Os pesquisadores induziram a supercondutividade no grafeno depositando uma ilha de um supercondutor convencional perto dos limites dos grãos, naturalmente formando costuras no grafeno que têm propriedades magnéticas ligeiramente diferentes do resto do material. Foi demonstrado que a supercondutividade e o magnetismo de contorno de grão dão origem aos estados de Yu-Shiba-Rusinov, que só pode existir em um material quando o magnetismo e a supercondutividade coexistem. Os fenômenos que a equipe observou no experimento condiziam com o modelo teórico desenvolvido pelo professor Lado, mostrando que os pesquisadores podem controlar totalmente os fenômenos quânticos em seu sistema híbrido projetado.

A demonstração dos estados de Yu-Shiba-Rusinov no grafeno é o primeiro passo para o desenvolvimento final de qubits topológicos baseados em grafeno. Em particular, controlando cuidadosamente os estados de Yu-Shiba-Rusinov, supercondutividade topológica e estados de Majorana podem ser criados. Os qubits topológicos baseados em estados de Majorana podem potencialmente superar drasticamente as limitações dos qubits atuais, proteger informações quânticas, explorando a natureza desses estados não convencionais. O surgimento desses estados requer controle meticuloso dos parâmetros do sistema. O experimento atual estabelece o ponto de partida crítico para esse objetivo, que pode ser construído para abrir um caminho inovador para computadores quânticos topológicos baseados em carbono.