"Férmions pesados" são uma forma teórica atraente de produzir fenômenos emaranhados quânticos, mas até recentemente foram observados principalmente em compostos perigosamente radioativos. Um novo jornal em Cartas de revisão física mostrou que é possível fazer férmions pesados ​​em grafeno sutilmente modificado, o que é muito mais barato e seguro.

Os compostos de terras raras fascinam os pesquisadores há décadas devido às propriedades quânticas exclusivas que exibem, que até agora permaneceram totalmente fora do alcance dos compostos do dia-a-dia. Uma das propriedades mais notáveis ​​e exóticas desses materiais é o surgimento de estados supercondutores exóticos, e particularmente os estados supercondutores necessários para construir futuros computadores quânticos topológicos. Embora esses compostos de terras raras específicos, conhecidos como supercondutores de férmions pesados, são conhecidos há décadas, tornar utilizáveis ​​tecnologias quânticas a partir deles continua sendo um desafio criticamente aberto. Isso ocorre porque esses materiais contêm compostos criticamente radioativos, como urânio e plutônio, tornando-os de uso limitado em tecnologias quânticas do mundo real.

Uma nova pesquisa revelou agora um caminho alternativo para projetar os fenômenos fundamentais desses compostos de terras raras apenas com grafeno, que não tem nenhum dos problemas de segurança dos compostos tradicionais de terras raras. O resultado empolgante do novo artigo mostra como um estado quântico conhecido como "férmion pesado" pode ser produzido pela combinação de três camadas torcidas de grafeno. Um férmion pesado é uma partícula - neste caso, um elétron - que se comporta como se tivesse muito mais massa do que realmente tem. A razão pela qual ele se comporta dessa forma deriva de efeitos quânticos únicos de muitos corpos que foram observados apenas em compostos de terras raras até agora. Este comportamento de férmions pesados ​​é conhecido por ser a força motriz dos fenômenos necessários para usar esses materiais para computação quântica topológica. Este novo resultado demonstra um novo maneira não radioativa de alcançar este efeito usando apenas carbono, abrindo um caminho para a exploração sustentável da física de férmions pesados ​​em tecnologias quânticas.

No artigo de autoria de Aline Ramires, (Instituto Paul Scherrer, Suíça) e Jose Lado (Aalto University), os pesquisadores mostram como é possível criar férmions pesados ​​com baixo custo, materiais não radioativos. Para fazer isso, eles usaram grafeno, que é uma camada de carbono com um átomo de espessura. Apesar de ser quimicamente idêntico ao material que é usado em lápis regulares, a espessura sub-nanométrica do grafeno significa que ele possui propriedades elétricas inesperadamente únicas. Sobrepondo as camadas finas de carbono umas sobre as outras em um padrão específico, onde cada folha é girada em relação à outra, os pesquisadores podem criar o efeito de propriedades quânticas que resulta nos elétrons no grafeno se comportando como férmions pesados.

"Até agora, aplicações práticas de supercondutores de férmions pesados ​​para computação quântica topológica não têm sido muito buscadas, parcialmente porque requer compostos contendo urânio e plutônio, longe de ser ideal para aplicações devido à sua natureza radioativa, "diz o professor Lado." Neste trabalho mostramos que se pode ter como objetivo realizar exatamente a mesma física apenas com o grafeno. Enquanto neste trabalho mostramos apenas o surgimento de comportamento de férmions pesados, abordar o surgimento da supercondutividade topológica é uma próxima etapa natural, que poderia ter um impacto revolucionário para a computação quântica topológica. "

A supercondutividade topológica é um tópico de interesse crítico para tecnologias quânticas, também abordado por estratégias alternativas em outros artigos do Departamento de Física Aplicada da Aalto University, incluindo um artigo anterior do Professor Lado. "Esses resultados fornecem potencialmente uma plataforma baseada em carbono para a exploração de fenômenos de férmions pesados ​​em tecnologias quânticas, sem exigir elementos de terras raras, “conclui o professor Lado.