Medições de capacidade térmica revelam férmions de Majorana – Physics World

Medições de capacidade térmica revelam férmions de Majorana – Physics World

Carimbo de data / hora: 8 de abril de 2024 4h30

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Foto de Takasada Shibauchi em seu laboratório olhando para uma tela ao lado de um microscópio
No laboratório A evidência dos férmions de Majorana apareceu no comportamento termodinâmico do chamado ímã de Kitaev. (Cortesia: T Shibauchi)

Pesquisadores no Japão e na Coreia afirmam ter encontrado “evidências conclusivas” da existência de partículas teoricamente propostas chamadas férmions de Majorana. A evidência para estas partículas há muito procuradas apareceu no comportamento termodinâmico de um chamado íman de Kitaev, e os investigadores dizem que as suas observações não podem ser explicadas por teorias alternativas.

Os férmions de Majorana têm o nome do físico italiano Ettore Majorana, que previu sua existência em 1937. Essas partículas são incomuns porque são suas próprias antipartículas e, no início dos anos 2000, o físico teórico Alexei Kitaev previu que eles poderiam existir na forma de quasipartículas compostas por dois elétrons emparelhados.

Essas quasipartículas são conhecidas como anyons não-abelianos, e uma de suas principais atrações é que são robustas a perturbações externas. Especificamente, Kitaev mostrou que, se usados ​​como bits quânticos (ou qubits), certos estados seriam “topologicamente protegidos”, o que significa que não podem ser invertidos aleatoriamente por ruído externo. Isto é importante porque tais perturbações são um dos principais obstáculos para a criação de um computador quântico prático e resistente a erros.

Mais tarde, Kitaev propôs que esses estados de Majorana poderiam ser projetados como estados de defeitos eletrônicos que ocorrem nas extremidades de nanofios quânticos feitos de um semicondutor localizado próximo a um supercondutor. Muitos trabalhos subsequentes concentraram-se, portanto, na procura do comportamento de Majorana em heteroestruturas semicondutoras-supercondutoras.

Uma abordagem diferente

No último estudo, pesquisadores liderados por Takasada Shibauchi da Departamento de Ciência de Materiais Avançados da Universidade de Tóquio, Japão, juntamente com colegas do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST), adotou uma abordagem diferente. Seu trabalho se concentra em um material chamado α-RuCl3, que é um “hospedeiro” potencial para férmions de Majorana porque pode pertencer a uma classe de materiais conhecida como líquidos de spin de Kitaev (KSLs).

Esses materiais são eles próprios um subtipo de líquidos de spin quântico – materiais magnéticos sólidos que não conseguem organizar seus momentos magnéticos (ou spins) em um padrão regular e estável. Esse comportamento “frustrado” é muito diferente daquele dos ferromagnetos ou antiferromagnetos comuns, que possuem spins que apontam na mesma direção ou em direções alternadas, respectivamente. Nos QSLs, os spins mudam constantemente de direção de maneira fluida, mesmo em temperaturas ultrafrias.

Para se qualificar como um KSL, um material deve ter uma rede bidimensional em formato de favo de mel perfeita (exatamente solucionável), e os spins dentro dessa rede devem ser acoplados por meio de interações de troca incomuns (tipo Ising). Tais interações são responsáveis ​​pelas propriedades magnéticas de materiais comuns, como o ferro, e ocorrem entre pares de partículas idênticas, como os elétrons – com o efeito de evitar que os spins das partículas vizinhas apontem na mesma direção. Diz-se, portanto, que os KSL sofrem de frustração de “acoplamento cambial”.

Em α-RuCl3, que tem uma estrutura em favo de mel em camadas, cada Ru3+ íon (com um spin efetivo de -1/2) tem três ligações. Shibauchi e colegas explicam que um cancelamento de interações entre os dois caminhos mais curtos de Ru-Cl-Ru 90° leva a interações de Ising com o eixo de rotação perpendicular ao plano que inclui esses dois caminhos.

“A marca registrada das excitações de Majorana”

Em seus experimentos, os pesquisadores mediram a capacidade térmica de um único cristal de α-RuCl3 usando uma configuração de alta resolução de última geração. Esta configuração foi contida em um refrigerador de diluição equipado com um rotador de dois eixos baseado em piezo e um ímã supercondutor que aplica um campo magnético rotativo ao plano em favo de mel da amostra. Estas medições revelaram um modo de borda topológica no material com uma dependência muito peculiar do ângulo do campo magnético. Especificamente, os investigadores descobriram que a temperaturas muito baixas, a capacidade de calor do material (uma quantidade termodinâmica) mostra excitações sem intervalos que mudam para lacunas quando o ângulo do campo magnético é inclinado apenas alguns graus. Essa dependência do ângulo do campo é, dizem eles, característica das excitações de quasipartículas de Majorana.

“Esta é a marca registrada das excitações de Majorana esperadas no estado líquido de spin, que foi teoricamente formulada por Kitaev em 2006”, diz Shibauchi. Mundo da física. “Acreditamos que isso não pode ser explicado por imagens alternativas e, portanto, fornece evidências conclusivas para essas excitações.”

Shibauchi reconhece que os resultados anteriores de tais medições foram controversos porque os investigadores acharam difícil dizer se um fenómeno conhecido como efeito Hall quântico meio inteiro – uma assinatura do modo de borda de Majorana – apareceu ou não. Embora algumas amostras mostrassem o efeito, outras não, levando muitos a acreditar que um fenômeno diferente poderia ser o responsável. No entanto, Shibauchi diz que a nova abordagem da equipe, focada no recurso de fechamento de lacuna dependente do ângulo específico das excitações de Majorana, “resolve esses desafios”.

Ainda há um longo caminho pela frente

Segundo os pesquisadores, os novos resultados mostram que os férmions de Majorana podem ser excitados no estado líquido de spin de um isolante magnético. “Se for possível encontrar uma maneira de manipular essas novas quasipartículas (o que não será uma tarefa fácil, dito isto), cálculos quânticos topológicos tolerantes a falhas poderão ser realizados no futuro”, diz Shibauchi.

Em seu trabalho, detalhado em Os avanços da ciência, os pesquisadores precisaram aplicar um campo magnético relativamente alto para atingir o estado líquido de spin Kitaev que hospeda o comportamento de Majorana. Eles estão agora procurando materiais alternativos nos quais o estado de Majorana possa aparecer em campos inferiores, ou mesmo nulos. Emílio Cobanera, um físico da Instituto Politécnico SUNY em Nova York que não esteve envolvido no estudo, concorda que tais materiais são possíveis.

“Graças ao trabalho de detetive de Shibauchi e colegas, podemos adicionar à lista as camadas da fase estável do RuCl3 com confiança, e talvez estejamos finalmente desenvolvendo as técnicas experimentais e a engenhosidade para revelar qualquer coisa em muitos outros materiais”, diz ele. “Em seu trabalho, a equipe teve que diferenciar entre dois cenários exóticos: a física do modelo de favo de mel de Kitaev, por um lado, um modelo exatamente solucionável de anyons, e outra parte da nova física, magnons associados a estruturas de bandas topologicamente não triviais. ”

Cobanera salienta que, como observam os próprios Shibauchi e colegas, estes dois cenários produziriam previsões muito diferentes para o comportamento da condutância térmica de Hall sob mudanças na direção de um campo magnético aplicado no plano. Eles, portanto, seguiram esta observação com medições térmicas mesoscópicas de última geração que, diz Cobanera, são claramente inconsistentes com uma explicação magnônica e apoiam semi-quantitativamente o cenário com qualquer um.

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