Eletrônica

Físicos descobrem novo tipo de partícula: os férmions de Majorana

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/04/2012

Férmions de Majorana: físicos descobrem novo tipo de partícula
O dispositivo é formado por um nanofio de antimoneto de índio ligado a dois eletrodos, um de ouro e outro de nióbio, este supercondutor. Os férmions de Majorana foram criados na porção final do nanofio. [Imagem: TUDelft]

Híbrido de partícula e antipartícula

Depois de 75 anos de buscas, cientistas holandeses podem ter descoberto os férmions de Majorana.

O físico italiano Ettore Majorana previu, em 1937, a existência de partículas que são suas próprias antipartículas.

Quando um elétron - de carga negativa - encontra um pósitron - sua antipartícula, com carga positiva - eles se aniquilam mutuamente com a emissão de um flash de raios gama.

Já um férmion Majorana é uma partícula neutra que é a sua própria antipartícula.

Nenhum experimento até hoje, nem mesmo dos grandes aceleradores de partículas, como o LHC, reportaram qualquer avistamento de férmions de Majorana.

Mesmo não sendo partículas ordinárias, que possam existir soltas por aí, os cientistas afirmam que um acelerador de partículas poderia detectar os férmions de Majorana, embora o LHC não tenha a sensibilidade necessária para isso.

Mas muitos físicos já acreditavam que eles poderiam ser encontrados em sistemas de estado sólido.

Análogo da antimatéria

Nos materiais condutores de eletricidade, existe um análogo da antimatéria: os elétrons (negativos) e as lacunas (positivas), um desaparecendo ao se encontrar com o outro. Ou seja, assim como partículas e antipartículas não podem coexistir, elétrons e lacunas também não.

Os físicos então idealizaram um experimento no qual elétrons e lacunas podem ser preservados sem se fundirem.

Para isso eles combinaram materiais supercondutores com isolantes topológicos, um tipo de material que conduz eletricidade apenas em sua superfície.

Quando são unidos, os dois materiais criam um padrão de campos elétricos em sua interface que pode evitar que os elétrons caiam nas lacunas, eventualmente permitindo a formação dos férmions de Majorana.

E foi isso o que fizeram Vincent Mourik e seus colegas das universidades de Delft e Eindhoven.

Férmions de Majorana

O grupo acredita ter localizado os férmions de Majorana dentro dos nanofios de um tipo muito estranho de transístor, construído por eles com supercondutores e isolantes topológicos.

Quando o transístor supercondutor foi colocado sob um campo magnético, os cientistas observaram um pico de sinal de tunelamento, em energia zero. O sinal resistiu a variações do campo magnético e da tensão aplicada ao transístor.

O sinal de pico desapareceu quando foram eliminados os "ingredientes" propostos teoricamente como necessários para a formação dos férmions de Majorana - como o campo magnético, ou quando eles trocaram a porção supercondutora do transístor por um fio normal.

Férmions de Majorana: físicos descobrem novo tipo de partícula
Micrografia do dispositivo real, onde N é o eletrodo metálico e S o eletrodo supercondutor. [Imagem: V. Mourik et al./Science]

Segundo os autores, seus resultados oferecem evidências da existência dos férmions de Majorana em "nanofios supercondutores acoplados".

Férmions de Majorana não são partículas, ou pequenas quantidades de matéria, no sentido que são considerados os elétrons ou os neutrinos: eles são quasepartículas, como os plásmons de superfície - mas que se comportam de forma muito parecida com uma partícula "autêntica", o que permite sua detecção.

A propósito, os físicos continuam tentando confirmar, como alguns teóricos propõem, se um neutrino pode ser realmente sua própria antipartícula.

Computadores quânticos e matéria escura

Além do interesse da física fundamental, os férmions de Majorana têm grande potencial para serem usados para a criação de uma nova plataforma de computação quântica.

Quando dois férmions de Majorana são movimentados um em relação ao outro, cada um deles mantém a memória da sua posição anterior. Isto permitiria a construção de computadores quânticos excepcionalmente estáveis, praticamente imunes à influência externa.

Outros cientistas apontam para a importância dos férmions de Majorana em escala cosmológica: eles acreditam que eles possam ser o constituinte fundamental da matéria escura, uma matéria que é detectada apenas por seus efeitos gravitacionais, mas que ninguém sabe do que se trata.

A observação agora relatada dos férmions de Majorana foi indireta e, portanto, não totalmente conclusiva, embora otimizações no experimento - como a redução da temperatura do semicondutor - possam gerar resultados mais robustos no futuro.

Enigma de Majorana

No passado, pouco depois de fazer sua previsão histórica, Ettore Majorana, então com apenas 31 anos, desapareceu quando fazia uma viagem de navio entre Palermo e Nápoles.

Seu corpo nunca foi encontrado e existem inúmeras versões sobre seu desaparecimento, algumas apontando para um desaparecimento planejado por ele próprio quando percebeu as implicações das teorias atômicas então sendo desvendadas.

Bibliografia:

Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices
V. Mourik, K. Zuo, S.M. Frolov, E.P.A.M. Bakkers, L.P. Kouwenhoven
Science
Vol.: Published online
DOI: 10.1126/science.1222360
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