Desde a década de 30, cientistas procuram partículas que sejam ao mesmo tempo matéria e antimatéria.
© Princeton University (microscópio de tunelamento por varredura)
Físicos usaram um microscópio de tunelamento por varredura para produzir imagens de uma fina cadeia de átomos de ferro disposta sobre a superfície de um supercondutor de chumbo (barra amarela). As cores da imagem representam a probabilidade quântica de qualquer local conter uma partícula de Majorana, que é tanto matéria quanto antimatéria. A porção ampliada mostra que a probabilidade de encontrar uma partícula de Majorana aumenta muito nas extremidades do fio, como previsto em teoria.
Agora foram encontradas fortes evidências de uma entidade desse tipo dentro de um material supercondutor. A descoberta poderia representar a primeira “partícula de Majorana”, e poderia ajudar pesquisadores a codificar informações para computadores quânticos.
Acredita-se que todas as partículas de matéria tenham uma contraparte de antimatéria com massa igual, mas carga diferente. Quando a matéria encontra seu equivalente de antimatéria, as duas se aniquilam.
De acordo com uma previsão realizada em 1937 pelo físico italiano Ettore Majorana, porém, algumas partículas podem ser suas próprias parceiras de antimatéria. Pela primeira vez pesquisadores declararam ter produzido imagens de uma dessas partículas de Majorana.
A nova partícula de Majorana apareceu em supercondutor, material em que o livre movimento de elétrons permite que a eletricidade flua sem resistência.
A equipe de pesquisa, conduzida por Ali Yazdani da Princeton University, posicionou uma longa cadeia de átomos de ferro, magnetizável, sobre a superfície de um supercondutor feito de chumbo.
O magnetismo normalmente prejudica supercondutores, que dependem da ausência de campos magnéticos para que seus elétrons fluam livremente. Nesse caso, porém, o campo magnético se transformou em um tipo especial de supercondutor, em que elétrons próximos uns dos outros coordenavam seus spins para satisfazer simultaneamente as exigências de magnetismo e supercondutividade.
Cada um desses pares pode ser entendido como um elétron e um antielétron, com carga negativa e positiva, respectivamente. Mas esse arranjo deixa um elétron em cada ponta da cadeia sem par, fazendo com que assumam as propriedades tanto de elétrons quanto de antielétrons, em outras palavras, de partículas de Majorana.
Assim como partículas no vácuo, sem contato com outros tipos de matéria, essas entidades são chamadas de “partículas emergentes”. Elas emergem das propriedades coletivas da matéria adjacente e não poderiam existir fora do supercondutor.
O novo estudo mostra uma assinatura convincente de partículas de Majorana, declara Leo Kouwenhoven da Universidade de Tecnologia Delft, na Holanda, que não se envolveu na pesquisa mas que encontrou sinais de partículas de Majorana em um arranjo supercondutor diferente. “Mas para realmente falarmos sobre provas completas e evidências sem ambiguidade, precisaríamos de um teste”.
Esse teste deve mostrar que as partículas não obedecem às leis normais das duas classes de partículas conhecidas na natureza, férmions (prótons, elétrons e a maioria das partículas com que estamos acostumados) e bósons (fótons e outras partículas que carregam forças, incluindo o bóson de Higgs). “A melhor coisa das Majoranas é que elas podem ser uma nova classe de partícula”, adiciona Kouwenhoven. “Se for encontrada uma nova classe de partículas, adiciona-se um novo capítulo à física”.
O físico Jason Alicea do Instituto de Tecnologia da Califórnia, que também não participou da pesquisa, declara que o estudo oferece “evidências convincentes” de partículas de Majorana, mas que “nós deveríamos manter explicações alternativas em mente, mesmo se não houverem candidatos imediatamente óbvios”.
Ele elogiou a configuração experimental por sua aparente capacidade de produzir as elusivas partículas de Majorana com facilidade. “Uma das maiores virtudes de sua plataforma em relação a trabalhos anteriores é permitir que pesquisadores apliquem um novo tipo de microscópio para analisar a anatomia detalhada da física”.
A descoberta poderia ter implicações para a procura de partículas de Majorana livres fora de materiais supercondutores. Muitos físicos suspeitam que neutrinos, partículas extremamente leves com a estranha capacidade de alterar suas identidades, ou “sabores”, sejam partículas de Majorana, e experimentos estão sendo realizados para investigar essa hipótese.
Yazdani aponta que, agora que sabemos que partículas de Majorana podem existir dentro de supercondutores, pode não ser surpreendente encontrá-las na natureza. “Uma vez que o conceito esteja correto, é muito provável que ele apareça em outra camada da física. Isso é empolgante”.
A descoberta também poderia ser útil para construir computadores quânticos que façam uso das leis da mecânica quântica para realizar cálculos muitas vezes mais rapidamente que computadores convencionais.
Um dos principais problemas na construção de um computador quântico é a suscetibilidade de propriedades quânticas, como o emaranhamento (uma conexão tal entre duas partículas, que agir sobre uma delas afeta a outra), a colapsar devido à interferência externa.
Uma cadeia de partículas com Majoranas em cada extremidade seria quase imune a esse risco, porque seria necessário danificar as duas extremidades simultaneamente para destruir quaisquer informações codificadas nela. “Poderíamos construir um bit quântico com base nessas partículas de Majorana”, declara Yazdani. “A ideia é que esse bit seja muito mais robusto para o ambiente que os tipos de bits que já foram tentados até agora”.
A descoberta foi relatada na revista Science.
Fonte: Scientific American
