Elétron se divide e torna-se fração de si mesmo no grafeno

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/02/2024

Em uma superrede moiré de grafeno/nitreto de boro hexagonal (hBN) de cinco camadas, os elétrons (bola azul) interagem fortemente entre si e se comportam como se estivessem quebrados em cargas fracionárias.
[Imagem: Sampson Wilcox/RLE]

Carga fracionária do elétron

O elétron é a unidade básica da eletricidade, carregando uma única carga negativa. Nas aulas de física também aprendemos que o elétron é uma partícula elementar, sem nenhum constituinte conhecido.

Mas a realidade é sempre mais complicada do que as descrições nos livros de física do ensino médio. Embora essa seja uma boa descrição para esmagadora maioria dos materiais da natureza, em estados muito especiais da matéria os elétrons podem se fragmentar em frações do seu todo.

Esse fenômeno, conhecido como "carga fracionária", é extremamente raro e, se puder ser isolado e controlado, o estado eletrônico exótico poderá ajudar a construir computadores quânticos imunes a ruídos e tolerantes a falhas.

Conhecido pelos físicos como "efeito Hall quântico fracionário", esse efeito foi observado algumas vezes, principalmente sob campos magnéticos muito elevados e estáveis. Mais recentemente, ele também foi observado em um material (MoTe₂) que não exige uma manipulação magnética tão poderosa.

Carga fracionária no grafeno

Agora, Zhengguang Lu e colegas do MIT, nos EUA, observaram o efeito de carga fracionária em um material mais simples: Cinco camadas de grafeno superpostas - grafeno é uma camada de carbono da espessura de um átomo, uma única folha de grafite.

Quando exatamente cinco folhas de grafeno são empilhadas, como degraus de uma escada, a estrutura resultante fornece as condições certas para a passagem dos elétrons como frações de sua carga total - sem necessidade de qualquer campo magnético externo. Esta é a primeira evidência do "efeito Hall anômalo quântico fracionário" (o termo "anômalo" refere-se à ausência de campo magnético) no grafeno cristalino, um material que os físicos não esperavam que apresentasse esse efeito.

"A carga fracionária é simplesmente exótica demais, e agora podemos perceber esse efeito com um sistema muito mais simples e sem campo magnético. Isso por si só é importante para a física fundamental. E poderá permitir a possibilidade de um tipo de computação quântica que é mais robusta contra perturbações," disse o professor Long Ju.

A computação quântica topológica também pode usar partículas de Majorana como qubits.
[Imagem: Sophie Charpentier et al. - 10.1038/s41467-017-02069-z]

Computação quântica topológica

O efeito Hall quântico fracionário é um exemplo dos fenômenos estranhos que podem surgir quando as partículas deixam de se comportar como unidades individuais e passam a agir juntas como um todo. Este comportamento coletivo "correlacionado" emerge em estados especiais, por exemplo quando os elétrons são desacelerados do seu ritmo, normalmente frenético, para um movimento lento que permite às partículas sentirem-se umas às outras e interagirem.

Essas interações podem produzir estados eletrônicos raros, como a divisão aparentemente pouco ortodoxa da carga de um elétron.

A carga fracionária do elétron, ao ser obtida sem a necessidade de um campo magnético, abriu um caminho promissor para a computação quântica topológica, uma forma mais segura de computação quântica, na qual o ingrediente adicional da topologia (uma propriedade que permanece inalterada diante de deformação ou perturbação) dá aos qubits uma proteção adicional ao realizar uma computação - o estudo da topologia rendeu o Nobel de Física de 2016.

Este esquema de computação é baseado em uma combinação de efeito Hall quântico fracionário e um supercondutor. Até o ano passado isso era impensável porque o forte campo magnético até então necessária para obter a carga fracionária destrói a supercondutividade. Agora, as cargas fracionárias obtidas no ditelureto de molibdênio ou nas cinco camadas de grafeno podem servir como qubit topológico.

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