Primeiro supercondutor topológico usa partículas de Majorana como qubits

Redação do Site Inovação Tecnológica -  05/03/2018

As placas de alumínio foram anexadas ao isolador topológico usando platina. A imagem mostra um dos dispositivos usados no experimento. Devido ao estresse, induzido por vários resfriamentos, apareceram saliências vistas claramente no intervalo do dispositivo. Isto faz com que as características dos pares supercondutores de elétrons variem em diferentes direções, uma assinatura de supercondutividade não-convencional. [Imagem: Chalmers University]

Os férmions de Majorana nem bem saíram da teoria e já começam a ajudar a computação quântica a combater um dos seus principais problemas: a decoerência, que é a perda dos dados que ocorre quando a interferência externa faz com que os qubits decaiam de seus estados quânticos entrelaçados ou superpostos.

Com sua insensibilidade característica à decoerência, essas partículas de Majorana estão se tornando o centro das atenções para a construção de qubits estáveis - a Microsoft está tentando desenvolver esse tipo de computador quântico.

As partículas de Majorana são partículas fundamentais que, assim como os elétrons, nêutrons e prótons, pertencem ao grupo dos férmions. Elas podem ser entendidas de forma muito simplificada como um “meio elétron”. E, ao contrário de todos os outros férmions, os férmions de Majorana são sua própria antipartícula.

O problema é que eles só ocorrem em circunstâncias muito especiais, o que explica porque, mesmo previstos por Ettore Majorana em 1937, só foram demonstrados na prática em 2012.

Agora, os pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Chalmers, na Suécia, conseguiram fabricar um componente capaz de hospedar as partículas de Majorana, o que significa que torna-se possível usá-las na prática.

Nos materiais de estado sólido, os férmions de Majorana só parecem ocorrer nos chamados supercondutores topológicos - um tipo de supercondutor que é tão novo e especial que pode-se dizer que não haviam provas inequívocas de que ele existisse de verdade.

Sophie Charpentier e seus colegas estão entre os primeiros grupos de pesquisa no mundo a divulgar resultados experimentais indicando que eles realmente conseguiram fabricar um supercondutor topológico.

A equipe começou trabalhando com um isolante topológico - que não é supercondutor - feito de telureto de bismuto (Be₂Te₃). Um isolante topológico é basicamente um isolador, ou seja, não conduz corrente elétrica em seu interior - contudo, ele conduz a corrente na sua superfície.

O segredo do supercondutor topológico está na camada na junção dos materiais. [Imagem: Sophie Charpentier et al. - 10.1038/s41467-017-02069-z]

Sobre o isolante topológico, a equipe usou platina para adicionar uma camada de um supercondutor convencional por cima, neste caso o alumínio, que conduz a corrente totalmente sem resistência a temperaturas muito baixas.

Enquanto fazia testes e medições, a equipe precisou resfriar o material várias vezes e esses ciclos de resfriamento repetidos parecem ter gerado tensões no material, o que fez com que a supercondutividade alterasse suas propriedades.

“Os pares de elétrons supercondutores passaram a vazar para o isolante topológico, que também se torna supercondutor,” explicou o professor Thilo Bauch. E esse comportamento representa a característica típica de um supercondutor topológico, onde os férmions de Majorana sentem-se à vontade para não se destruírem mutuamente.

“Para aplicações práticas, o material é principalmente de interesse para aqueles que estão tentando construir um computador quântico topológico. Nós queremos explorar a nova física que se esconde nos supercondutores topológicos - este é um novo capítulo da física,” disse a professora Floriana Lombardi, coordenadora da equipe.

Bibliografia
Induced unconventional superconductivity on the surface states of Bi2Te3 topological insulator. Sophie Charpentier, Luca Galletti, Gunta Kunakova, Riccardo Arpaia, Yuxin Song, Reza Baghdadi, Shu Min Wang, Alexei Kalaboukhov, Eva Olsson, Francesco Tafuri, Dmitry Golubev, Jacob Linder, Thilo Bauch, Floriana Lombardi. Nature Communications. Vol.: 8, Article number: 2019. DOI: 10.1038/s41467-017-02069-z.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=primeiro-supercondutor-topologico-fermions-majorana-qubits-nao-perdem-dados&id=010110180305&ebol=sim

Físicos brasileiros propõem modelo experimental para detectar férmion de Majorana em supercondutores

Em 1938, Ettore Majorana, um físico italiano de 31 anos, desapareceu sem deixar vestígios. Seu orientador, Enrico Fermi, que naquele mesmo ano ganhou o prêmio Nobel de Física, o comparou ao inglês Isaac Newton (1643-1727), posicionando-o vários degraus acima dos maiores expoentes de uma época fértil em gênios científicos. As habilidades matemáticas de Majorana eram prodigiosas.

Ettore Majorana

Costumava esboçar proposições teóricas sofisticadas em maços de cigarro, que, depois, amassava e jogava fora, classificando aqueles escritos como pueris. Em março de 1932, propôs, alguns meses antes do alemão Werner Heisenberg (1901-1976), um modelo do núcleo atômico como constituído por prótons e nêutrons. Mas, apesar da insistência de Fermi, recusou-se a publicar qualquer artigo a respeito.

Quando desapareceu, suspeitou-se de que havia sido sequestrado pelo regime fascista de Benito Mussolini, porque sabia demais. Depois, verificou-se que planejara meticulosamente a desaparição.

Outras hipóteses foram apresentadas: fugiu porque, sabendo do potencial destrutivo da energia nuclear, não queria ser obrigado a trabalhar para os fascistas na produção da bomba atômica; fugiu porque, movido por uma intensa aspiração mística, decidiu isolar-se em um mosteiro ou transformar-se em andarilho. Há suspeitas de que tenha se refugiado na Argentina, passando a ganhar a vida como engenheiro. Mas não existe prova conclusiva sobre quaisquer dessas suposições.

Dos poucos trabalhos que publicou, o mais famoso foi Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone (Teoria simétrica do elétron e do pósitron), datado de 1937. Nele, apresentou a hipótese de uma partícula que teria a si mesma como antipartícula. A existência do neutrino acabara de ser postulada por Fermi e Wolfgang Pauli, e Majorana sugeriu que o neutrino poderia ser essa partícula.

Genericamente, essa partícula hipotética, que é sua própria antipartícula, recebe o nome de férmion de Majorana. Oito décadas depois de sua proposição, o férmion de Majorana continua a suscitar forte interesse na comunidade dos físicos. As pesquisas atuais em relação a ele enfocam não apenas o neutrino, mas também quase-partículas constituídas por excitações em supercondutores.

“No contexto da matéria condensada [em que o número de constituintes do sistema (átomos, elétrons etc.) é extremamente elevado, produzindo interações muito intensas entre eles], os férmions de Majorana poderiam se manifestar não como partículas reais, a exemplo dos prótons ou dos elétrons, mas como quase-partículas, ou partículas aparentes, que descrevem o estado do supercondutor”, disse o físico Antonio Carlos Ferreira Seridonio, professor do Departamento de Física e Química da Universidade Estadual Paulista (Unesp), no campus de Ilha Solteira (SP), à Agência FAPESP.

Um sistema considerado forte candidato a exibir os férmions de Majorana enquanto quase-partículas é o chamado “fio de Kitaev”. [Imagem: Dessotti et al. - 10.1063/1.4898776]

Seridonio é coautor do artigo “Probing the antisymmetric Fano interference assisted by a Majorana fermion”, recentemente publicado como matéria de capa pelo periódico Journal of Applied Physics.

O artigo propõe um modelo experimental para a obtenção do férmion de Majorana. Tal modelo foi concebido por um grupo de pesquisadores e pós-graduandos da Unesp em Ilha Solteira e em Rio Claro e da Universidade Federal de Uberlândia (UFU), liderados por Seridonio, Valdeci Mariano de Souza (Unesp-Rio Claro) e Fabrício Macedo de Souza (UFU).

O primeiro autor do artigo, Fernando Augusto Dessotti, é doutorando sob a orientação de Seridonio. E o segundo, o mestrando Luciano Henrique Siliano Ricco, tem o apoio da FAPESP em pesquisa que trata do tema da matéria publicada.

Um sistema considerado forte candidato a exibir os férmions de Majorana enquanto quase-partículas é o chamado “fio de Kitaev”, proposto pelo físico russo Alexei Kitaev (nascido em 1963), atualmente professor do California Institute of Technology (Caltech), nos Estados Unidos.

“Em 2001, trabalhando na Microsoft, Kitaev dedicou-se ao objetivo de encontrar uma unidade básica para a computação quântica [o qubit ou bit quântico], que fosse capaz de resistir a perturbações externas do meio, possibilitando assim a construção do computador quântico. O modelo apresentado por ele consistiu em um fio finito supercondutor. Quando tal fio se encontra em uma condição específica, chamada de fase topológica, seria possível isolar um majorana em cada uma de suas pontas. E esse par de quase-partículas comporia o bit quântico”, relatou Seridonio.

O artigo publicado por Seridonio e seu grupo no Journal of Applied Physics descreve uma via experimental para a detecção dessas quase-partículas. “Os componentes do aparato experimental que propomos já foram produzidos experimentalmente. Falta integrá-los. Acreditamos que é uma questão de tempo para que isso ocorra. E o nosso trabalho aponta um caminho para isso”, afirmou.

O aparato utiliza um interferômetro de elétrons (empregado no estudo do comportamento ondulatório dos elétrons) semelhante ao interferômetro de Bohm-Aharonov [idealizado no final de década de 1950 pelo físico norte-americano naturalizado brasileiro David Bohm (1917–1992) e pelo físico israelense Yakir Aharonov (1932), então seu orientando].

“Nossa ideia foi acoplar esse interferômetro a um fio de Kitaev na fase topológica. O transporte de elétrons no interferômetro ficaria afetado pelos majoranas presentes nas pontas do fio de Kitaev. E, por meio da alteração produzida nos espectros das ondas eletrônicas, seria possível caracterizar os majoranas”, explicou Seridonio.

“Para o futuro, utilizaremos o interferômetro proposto para explorar uma outra classe de majoranas, os que geram uma corrente de quase-partículas nas bordas de um supercondutor”, acrescentou o pesquisador.

O artigo Probing the antisymmetric Fano interference assisted by a Majorana férmion (doi: 10.1063/1.4898776), de F.A. Dessotti e colaboradores, pode ser lido em http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/116/17/10.1063/1.4898776 .

Agência FAPESP

Fonte1: http://www.planetauniversitario.com/index.php/ciencia-e-tecnologia-mainmenu-75/33689-fisicos-brasileiros-propoem-modelo-experimental-para-detectar-fermion-de-majorana

Fonte2: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=brasileiros-propoem-experimento-detectar-fermion-majorana&id=010175141118#.VH8BQcnN5qR

Na fronteira entre matéria e antimatéria: físicos descobrem partícula exótica (férmion de Majorana) dentro de materiais supercondutores (scientists find long-sought Majorana particle)

 O dispositivo é feito de um nanofio de índio coberto com um contato de ouro e parcialmente coberto com um contato supercondutor de nióbio. Os férmions de Majorana são criados no final do nanofio. Crédito: Copyright TU Delft 2012

Pesquisadores do TU Delft's Kavli Institute e da Foundation for Fundamental Research on Matter (FOM Foundation) conseguiram detectar pela primeira vez o férmion de Majorana, uma partícula que é um híbrido de matéria e antimatéria. A existência dessa partícula foi proposta pelo físico italiano Ettore Majorana. Leo Kouwenhoven, principal pesquisador do trabalho, causou grande agitação entre os cientistas em fevereiro, apresentando os resultados preliminares em um congresso científico. Agora, os cientistas publicaram sua pesquisa na revista Science.

Computador quântico e matéria escura

Férmions de Majorana são muito interessantes - não só porque a descoberta abre um novo e desconhecido capítulo da física fundamental; eles também podem desempenhar um papel na cosmologia. A teoria proposta pressupõe que a misteriosa “matéria escura”, que forma a maior parte do universo, é composta de férmions de Majorana. Além disso, os cientistas veem as partículas como blocos de construção fundamentais para o computador quântico. Ao contrário do computador quântico “comum”, um computador quântico baseado em férmions de Majorana é excepcionalmente estável e pouco sensível a influências externas.

       

Nanofio

        Pela primeira vez, cientistas no grupo de pesquisa de Leo Kouwenhoven conseguiram criar um dispositivo eletrônico em nanoescala no qual um par de férmions de Majorana “aparece” em uma das extremidades do nanofio. Eles fizeram isso através da combinação de um nanofio extremamente pequeno com um material supercondutor e um forte campo magnético. “As medições das partículas nas extremidades do nanofio não podem ser explicadas a não ser pela presença de um par de férmions de Majorana”, diz Leo Kouwenhoven.

        Teoricamente é possível detectar um férmion de Majorana com um acelerador de partículas. O atual Large Hadron Collider parece ser suficientemente sensível para essa finalidade, mas, de acordo com os físicos, há uma outra possibilidade: férmions de Majorana também podem aparecer em nanoestruturas adequadamente projetados. “O que há de mágico sobre a mecânica quântica é que uma partícula de Majorana criada desta forma é semelhante às que podem ser observadas em um acelerador de partículas, apesar de ser muito difícil de compreender”, explica Kouwenhoven. “Em 2010, dois grupos teóricos diferentes surgiram com uma solução usando nanofios supercondutores e um forte campo magnético. Através de pesquisas anteriores aqui na TU Delft já estávamos muito familiarizados com esses ingredientes.”

Ettore Majorana

O físico italiano Ettore Majorana era um teórico brilhante, que mostrou grande visão sobre a física em uma idade jovem. Ele descobriu uma solução até então desconhecido para as equações das quais os cientistas quânticos deduzem partículas elementares: os férmions de Majorana. Praticamente todas as partículas teóricas previstas pela teoria quântica foram encontrados nas últimas décadas, com apenas algumas exceções, incluindo a partícula de Majorana e o bóson de Higgs. Mas a pessoa Ettore Majorana é tão misteriosa quanto a partícula. Em 1938, ele retirou todo o seu dinheiro e desapareceu durante uma viagem de barco a partir de Palermo para Nápoles. Se ele se matou, foi assassinado ou vivia sob uma identidade diferente ainda não é conhecido. Nenhum traço de Majorana jamais foi encontrado.

Fonte1: http://www.sciencedaily.com/releases/2012/04/120413160004.htm

Fonte2: http://www.sciencemag.org/content/336/6084/1003