Vários experimentos vêm apresentando evidências de que férmions de Majorana podem existir, como o resultado do comportamento coletivo dos elétrons em certos materiais. A busca por essas partículas continua, motivada pelo seu grande potencial para a computação quântica. Em um trabalho publicado na revista Physical Review Letters, os físicos Rodrigo Pereira, do Instituto Internacional de Física (IIF-UFRN), em Natal, e Reinhold Egger, da Universidade Heinrich Heine de Dusseldorf, Alemanha, mostraram como é possível utilizar campos elétricos para manipular férmions de Majorana, mesmo eles sendo partículas eletricamente neutras.
No vídeo abaixo, Pereira explica que os férmions de Majorana podem ser localizados e manipulados por meio de campos elétricos em materiais que se comportem como um líquido quântico de spin, um estado proposto pelo físico Alexei Kitaev, há cerca de quinze anos. O modelo de Kitaev descreve alguns tipos de materiais isolantes, isto é, que não transportam cargas elétricas, mas que possuem propriedades magnéticas interessantes, resultantes da interação entre os spins dos elétrons presos nas posições dos átomos do material, arranjados em uma rede cristalina bidimensional, de estrutura parecida com a do grafeno. O modelo teórico prevê que os spins dos elétrons interagem fortemente entre si, mas sempre permanecem em um estado desordenado, como um líquido, mesmo na temperatura de zero absoluto.
A teoria prevê que o líquido quântico de spin se comporta como se fosse feito de férmions de Majorana. Assim como todos os férmions, tal como o elétron por exemplo, os férmions de Majorana obedecem o princípio de exclusão de Pauli, mas diferente dos férmions convencionais, são indistinguíveis de suas antipartículas, tendo carga elétrica nula.
Estados de Majorana com energia zero poderiam ser utilizados como qubits em um computador quântico topológico. Um computador desse tipo seria capaz de codificar e processar informação quântica, sem sofrer com os erros que ocorrem quando um sistema quântico perde a sua coerência, por interação com o ambiente a sua volta. Alguns experimentos recentes mostraram que um material chamado de tricloreto de rutênio pode ser um bom candidato para realizar essa fase de líquido de spin de Kitaev, quando submetido a campos magnéticos suficientemente altos.
Pereira e Egger mostraram que, se esses férmions de Majorana estiverem realmente no tricloreto de rutênio, pode ser possível usar campos elétricos para localizar e manipular suas posições, e assim implementar as operações lógicas necessárias para a computação quântica topológica.
O trabalho foi realizado com financiamento da fundação alemã DFG, das instituições brasileiras MEC, MCTI e CNPq.
Artigo científico
Electrical Access to Ising Anyons in Kitaev Spin Liquids
Rodrigo G.Pereira e Reinhold Egger
Phys. Rev. Lett. 125, 227202 – 23 de novembro de 2020
arXiv:2008.05334
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