Onde devemos procurar pelos fugidios férmions de Majorana?

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/07/2022

Supercondutividade topológica e estados de Majorana superficiais.
[Imagem: Lina Sang et al. - 10.1016/j.matt.2022.04.021]

Férmions de Majorana

O elusivo férmion de Majorana, ou "partícula anjo", proposta por Ettore Majorana em 1937, comporta-se simultaneamente como uma partícula e uma antipartícula - e, surpreendentemente, permanece estável, em vez de se autodestruir pelo processo de aniquilação.

As partículas fundamentais, como elétrons, prótons, nêutrons, quarks e neutrinos (os chamados férmions) têm cada uma sua antipartícula correspondente e distinta - uma antipartícula tem a mesma massa que seu parceiro, mas carga elétrica e momento magnético opostos.

E esses férmions e anti-férmions, que constituem a matéria e a antimatéria, respectivamente, se aniquilam imediatamente quando se encontram.

Mas o férmion de Majorana é uma exceção a essa regra.

E há outras razões pelas quais os físicos tentam há tantas décadas encontrar experimentalmente essa partícula: Suas características tornam os férmions de Majorana perfeitos para tecnologias da informação e comunicação futurísticas, incluindo uma forma mais eficiente de computação quântica, conhecida como computação quântica topológica.

Resultados experimentais para uma monocamada FeSe/STO.
[Imagem: Lina Sang et al. - 10.1016/j.matt.2022.04.021]

Busca complicada e dispersa

O grande problema é que é muito difícil identificar algo que é matéria e antimatéria ao mesmo tempo e cujas duas propriedades conflitantes - ou seja, carga positiva e carga negativa - a tornam neutra, com interações muito fracas com o ambiente.

Assim, têm emergido as mais diferentes propostas e diversos resultados que detectam "indícios" dos férmions de Majorana, nenhum deles amplamente aceito pela comunidade acadêmica até agora.

São tantas ideias, artigos e experimentos - incluindo alguns retratados - que uma equipe de físicos australianos se reuniu para revisar todas essas contribuições e tentar ver quais são os caminhos mais promissores pelos quais as diversas equipes ao redor do mundo possam congregar esforços para fazer uma detecção inequívoca.

"Nas últimas duas décadas, partículas de Majorana foram relatadas em muitas heteroestruturas supercondutoras e demonstraram um forte potencial em aplicações de computação quântica", contextualiza o Dr. Muhammad Nadeem, da Universidade de Wollongong.

Resultados experimentais em filmes finos FeTe1-xSex.
[Imagem: Lina Sang et al. - 10.1016/j.matt.2022.04.021]

Onde procurar os férmions de Majorana

Há alguns anos, um experimento encontrou indícios de partículas de Majorana em novo tipo de material, conhecido como supercondutor topológico à base de ferro. Esse experimento se destaca dos demais porque os sinais das partículas foram detectados sem a necessidade de fabricação de interfaces com outros materiais (heteroestruturas), o que é significativo para aplicações práticas.

E a equipe acredita que é justamente esse o caminho mais promissor a ser seguido: Para ter mais chances de conseguir uma detecção inequívoca dos férmions de Majorana, os físicos devem se concentrar nos supercondutores topológicos, materiais que conduzem eletricidade sem resistência pela sua superfície, mas não necessariamente pelo seu interior.

"Nosso artigo revisa as conquistas experimentais mais recentes nesses materiais: Como obter materiais supercondutores topológicos, observação experimental do estado topológico e detecção de modos zero de Majorana," disse a pesquisadora Lina Sang.

Nesses materiais, as quasipartículas podem representar um tipo particular de matéria-antimatéria, como o férmion de Majorana "quiral", que se move ao longo de um caminho unidimensional, e o "modo zero" de Majorana, que permanece restrito a um espaço de dimensão zero.

Além dos estados topológicos da matéria, a equipe acredita ser válido procurar pelos férmions de Majorana nos isolantes topológicos e nos chamados semimetais de Weyl.

Se esses materiais de fato hospedarem férmions de Majorana - e eles forem experimentalmente acessíveis -, isso ajudaria a traçar um roteiro para a engenharia de tecnologias de baixo consumo de energia: Graças às características físicas únicas dos férmions de Majorana, eles podem ser usados tanto para a eletrônica de alta eficiência quanto para a computação quântica tolerante a falhas.

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