Esquerda: filmes ultrafinos de Bi2Se3 epitaxialmente
crescido na superfície
(0001) do supercondutor monocristalino 2H-NbSe2 usando a técnica de epitaxia de feixe molecular (molecular beam epitaxy technique). Centro: curvas de intensidade
ARPES e mapa
de dispersão ARPES de alta resolução
do filme Bi2Se3
sobre NbSe2 depois de "destapar" usando uma energia de fóton incidente
de 50 eV (no detalhe). Direita: a
direção da polarização de spin dos elétrons no nível de Fermi do supercondutor Bi2Se3. Cortesia: S-Y
Xu
Físicos
dos EUA e Taiwan dizem que encontraram a primeira evidência da
supercondutividade no isolante topológico seleneto de bismuto graças às novas
observações espectroscópicas. A descoberta não é apenas de fundamental
importância para uma série de teorias de física da matéria condensada e de
partículas, mas pode até ser explorada para construir no futuro qubits
topológicos tolerantes a falhas.
Isolantes
topológicos são materiais artificialmente construídos isolantes no volume da
amostra, mas que podem conduzir eletricidade na superfície. Uma equipe de
pesquisadores liderada por Zahid Hasan, da Universidade de Princeton, usando a técnica angle-resolved
photoemission spectroscopy (ARPES), afirmam ter visto o “emparelhamento de Cooper”
(a marca registrada da supercondutividade) nos elétrons que se encontram na
superfície do isolante topológico Bi2Se3. ARPES é uma das
formas mais diretas de estudar a estrutura eletrônica e supercondutividade em
sólidos.
Supercondutividade
é um fenômeno coletivo no qual os elétrons se movem em direções opostas superando
a repulsão eletrostática para formar pares de Cooper abaixo de uma certa temperatura
de transição. Estes pares podem condensar em um único estado quântico e
mover-se sem resistência elétrica através do material supercondutor.
“Em supercondutores convencionais,
elétrons de condução que se deslocam ao longo de uma determinada direção têm
seus spins em ambas as direções, ‘up’ e ‘down’, e os dois tipos de elétrons
podem emparelhar-se”, explica o
membro da equipe Su-Yang Xu, também de Princeton. “Isolantes topológicos são diferentes. Os
elétrons se movendo em uma direção deverão ter apenas elétrons com spin-up disponíveis
para emparelhar-se, e aqueles que se movem na direção oposta só tem elétrons
spin-down disponíveis. É por isso que as superfícies de isolantes topológicos
são também chamadas de ‘half-Dirac-gas’ porque apenas metade dos elétrons
está disponível para contribuir com a corrente elétrica de resistência zero. Além
disso, as fortes interações dos pares de Cooper que existem em alguns
supercondutores estão ausentes em isolantes topológicos e a supercondutividade
nestes sistemas existe em um estado ‘fracamente interagente’. Fracamente
interagente nesse contexto, significa que os elétrons não se repelem fortemente.”
Emparelhamento helicoidal de Cooper
Os
pesquisadores mediram a energia cinética e a direção de spin dos elétrons
ejetados de uma amostra de Bi2Se3 em um substrato de seleneto
de nióbio (NbSe2). “O processo de fotoemissão nos fornece informações
extremamente úteis sobre a estrutura eletrônica e propriedades de um material”,
diz Xu, “e a
técnica com resolução de spin fornece informações adicionais sobre como são
configurados os spins dos elétrons no material”.
Graças
às temperaturas ultrabaixas em que realizaram os experimentos, Hasan e seus
colegas dizem que eles foram capazes de observar pela primeira vez o “emparelhamento
helicoidal de Cooper” em um sistema eletrônico de Dirac, fazendo uso de uma
coisa chamada momentum-resolved
Bogoliubov quasiparticle spectrum do isolante topológico quando é colocado
sobre um substrato de um supercondutor convencional como o NbSe2.
Férmions de Majorana e outra física exótica
A
teoria prevê que partículas chamadas férmions de Majorana (partículas que são
suas próprias antipartículas) poderiam ser feitas através da combinação de um
supercondutor convencional com um isolante topológico. Uma série de outros
aspectos fundamentais da física exótica também pode estar à espreita em tais
estados de superfície no estado sólido.
Férmions
de Majorana são previstos em física de alta energia, mas ainda não foram
observados em experimentos de física de partículas. “Se eles forem encontrados na matéria
condensada, como em um supercondutor topológico tipo half-Dirac-gas, eles podem
ser usados para construir o famoso qubit topológico - o que nos ajudaria a
fazer um computador quântico tolerante a falhas”, diz Xu. Isto
porque férmions de Majorana - ao contrário dos familiares férmions de Dirac,
como os elétrons - obedecem as “estatísticas não-Abelianas” e assim devem ser
robustos ao ruído ambiental de fundo. Férmions de Majorana poderiam armazenar e
transmitir informação quântica sem perturbação externa, o que é um dos
principais desafios para quem tenta construir hoje um computador quântico
prático e tolerante a falhas.
Testando a física de alta energia no estado
sólido?
A
supersimetria (outra teoria da física de alta energia) é outro exemplo
interessante que ainda tem que ser testada em aceleradores de partículas. “Aqui, os bósons (partículas
de spin inteiro) e férmions (partículas de spin semi-inteiro) podem ser
convertidos um no outro em altas energias. Teóricos da matéria condensada dizem
que ambas, a supersimetria e os férmions de Majorana, podem ser produzidos na
mesma configuração do estado sólido - como o ‘spin-momentum locked’ half-Dirac
gas que temos estudado”.
Até
agora, todas as reivindicações de ver férmions de Majorana foram em sistemas de
isolantes não-topológicos, mas um isolante topológica de Majorana seria uma
partícula muito robusta, de longa duração.
Estimulado
por suas observações, a equipe diz que agora está planejando uma técnica híbrida
de espectroscopia de fotoemissão (combinação de espectroscopia de tunelamento e
de transporte elétrico) para procurar um férmion de Majorana, e mais
importante, as partículas de supersimetria (SUSYs) no componente helicoidal isolado
dos pares de Cooper estudados no presente trabalho.
Embora nossos dados
atuais não forneçam qualquer evidência para a supersimetria, esta é uma
emocionante - e alguns diriam ambiciosa - direção futura que esperamos
prosseguir graças a nossa identificação do emparelhamento helicoidal de Cooper, diz Xu.
