Físicos da França e da Rússia descobriram
perturbações magnéticas que se assemelham a pequenas estrelas oscilantes em supercondutores
bidimensionais (2D). Estas excitações eletrônicas tipo estrelas estão
localizadas em torno de átomos magnéticos individuais dentro do material
supercondutor. Essa observação experimental, feita por meio de espectroscopia
de tunelamento a apenas 0,3 graus acima do zero absoluto, é a confirmação
direta da famosa teoria Yu-Shiba-Rusinov, que previu esses estados magnéticos quanticamente
ligados.
Os
pesquisadores verificaram que nos sistemas bidimensionais, as excitações
magnéticas se distribuem por longas distâncias quando comparados com materiais
supercondutores tridimensionais comuns. Essa descoberta abre uma rota para a
geração de estados quânticos mais complexos a partir de correntes ou grupos de
átomos magnéticos em supercondutores, e que são topologicamente protegidos
contra decoerência. A construção e manipulação de tais estados é um passo
crucial para os computadores quânticos.
Os pesquisadores estudaram o surgimento dos
estados ligados de Yu-Shiba-Rusinov (YSR) em torno dos átomos magnéticos
individuais inseridos em um supercondutor bidimensional. Os estados YSR foram
teoricamente previstos na década de 1960, mas pouca evidência experimental
tinha sido obtida até o momento. Os pesquisadores verificaram que em sistemas
de duas dimensões, as excitações magnéticas se estendem por uma distância maior
em comparação com os supercondutores comuns (tridimensionais), e os emergentes estados
quânticos YSR são mais estáveis, o que os tornam mais adequados para uma nova
geração de eletrônica quântica.
Uma estrutura em
camadas do supercondutor disseleneto de nióbio (NbSe2) foi utilizada
nos testes. Com um microscópio de tunelamento, os pesquisadores foram capazes
de observar pela primeira vez o estado YSR ao redor dos átomos individuais de
ferro. “Demonstrou-se que o uso de supercondutores
bidimensionais no lugar dos tridimensionais resulta em um aumento na extensão
espacial dos estados YSR para várias dezenas de nanômetros, isto é, dez vezes
mais. E a área de excitação exibe a forma de uma ‘estrela’ seis vezes maior com
seus raios se estendendo ao longo do eixo da estrutura do cristal de disseleneto
de nióbio. As ‘estrelas’ observadas são mais estáveis e mais adequadas para a criação de
novos estados topologicamente protegidos”,
diz Vasily Stolyarov, um dos principais pesquisadores responsáveis pela
descoberta.
Os estados Yu-Shiba-Rusinov
foram previstos independentemente na década de 1960 por três físicos da China,
URSS, Japão. Eles sugeriram que os átomos magnéticos introduzidos em um
supercondutor devem criar estados especiais de excitação em torno de si. Os
cálculos mostram que áreas de condutividade topológica podem se formar em torno
desses estados, onde a corrente flui somente em uma direção. Até recentemente,
porém, não tinha sido possível confirmar esta previsão experimentalmente.
Nos últimos 20
anos, os cientistas vêm tentando criar sistemas quânticos que irão superar
computadores baseados em semicondutores tradicionais, nos quais o potencial de
desenvolvimento está praticamente esgotado. Certo número de potenciais sistemas
candidatos para construir o computador quântico está sendo investigado. O
principal problema impedindo o desenvolvimento desses computadores é a alta
sensibilidade do mundo nanométrico a influências externas que destroem os estados
quânticos. Uma opção promissora é a utilização de estados eletrônicos
topologicamente protegidos que são resistentes à decoerência. Ânions não-Abelianos
podem ser perfeitos para isso; eles não são íons negativos, mas sim excitações
especiais em sistemas quânticos bidimensionais num campo magnético.
A teoria prevê
que tais ânions não-Abelianos podem ocorrer em um ‘líquido’ bidimensional de elétrons
em um supercondutor sob a influência de um campo magnético local. O líquido de
elétrons torna-se assim degenerado, ou seja, os elétrons podem ter diferentes
estados no mesmo nível de energia. A superposição de vários ânions não pode ser
afetada sem movê-los; portanto, eles são completamente protegidos contra
perturbações.
