Eletrônica

Primeiro supercondutor topológico usa partículas de Majorana como qubits

Primeiro supercondutor topológico, férmions de Majorana e qubits que não perdem dados
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]

Férmions de Majorana como qubits

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.

Supercondutor topológico

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.

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.

Primeiro supercondutor topológico, férmions de Majorana e qubits que não perdem dados
O segredo do supercondutor topológico está na camada na junção dos materiais. [Imagem: Sophie Charpentier et al. - 10.1038/s41467-017-02069-z]

Efeito inesperado

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




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