A caça à 'partícula de anjo' continua

Em 2017, os pesquisadores acreditaram ter encontrado evidências do indescritível férmion de Majorana. Agora, um novo estudo descobriu que a classe exótica de partículas ainda pode estar confinada à teoria.

Partícula de anjo Pixabay
  • Em 2017, os pesquisadores acreditaram ter encontrado evidências para a chamada 'partícula de anjo'; isto é, um férmion de Majorana.
  • Os férmions de Majorana diferem dos férmions regulares por serem suas próprias antipartículas.
  • Uma nova pesquisa mostra que a descoberta anterior foi devido a um erro no dispositivo experimental dos cientistas. Assim, está de volta à prancheta em busca do férmion de Majorana.

Uma classe teórica de partículas chamada férmions de Majorana permanece um mistério. Em 2017, os cientistas acreditaram ter descoberto evidências da existência de férmions de Majorana. Infelizmente, pesquisas recentes mostram que suas descobertas foram na verdade devido a um dispositivo experimental defeituoso, trazendo os pesquisadores de volta à prancheta de desenho na busca por partículas exóticas.



O que são férmions de Majorana?

O modelo padrão da física de partículas atualmente é nosso melhor meio de explicar as forças fundamentais do universo. Ele classifica as várias partículas elementares, como fótons, o bóson de Higgs e os vários quarks e leptons. Em termos gerais, suas partículas são divididas em duas classes: Bósons, como o fóton e Higgs, e férmions, que compreendem os quarks e os léptons.



Há um algumas diferenças principais entre esses tipos de partículas. Um, por exemplo, é que os férmions têm antipartículas, enquanto os bósons não. Pode haver um anti-elétron (ou seja, um pósitron), mas não existe um antifóton. Os férmions também não podem ocupar o mesmo estado quântico; por exemplo, os elétrons orbitando o núcleo de um átomo não podem ocupar o mesmo nível orbital e giram na mesma direção - dois elétrons podem ficar no mesmo orbital e girar em direções opostas porque isso representa um estado quântico diferente. Os bósons, por outro lado, não têm esse problema.

Mas em 1937, um físico chamado Ettore Majorana descobriu que poderia existir um tipo diferente e incomum de férmion; o chamado férmion de Majorana.



Todos os férmions no modelo padrão são referidos como férmions de Dirac. Onde eles e os férmions de Majorana diferem é que o férmion de Majorana seria sua própria antipartícula. Por causa dessa peculiaridade, o férmion de Majorana foi apelidado de 'partícula de anjo' em homenagem ao romance de Dan Brown 'Anjos e Demônios', cujo enredo envolvia uma bomba de matéria / antimatéria.

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Uma 'arma fumegante'?

Até 2017, entretanto, não havia evidência experimental definitiva para férmions de Majorana. Mas durante aquele ano, os físicos construíram um dispositivo experimental complicado envolvendo um supercondutor, um isolante topológico - que conduz eletricidade ao longo de suas bordas, mas não através de seu centro - e um ímã. Os pesquisadores observaram que, além dos elétrons fluindo ao longo da borda do isolador topológico, esse dispositivo também apresentava sinais de produção de quasipartículas de Majorana.

As quasipartículas são uma ferramenta importante que os físicos usam na busca por evidências de partículas 'reais'. Eles não são reais, mas podem ser considerados como distúrbios em um meio que representa uma partícula real. Você pode pensar neles como bolhas em uma Coca-Cola - uma bolha em si não é um objeto independente, mas sim um fenômeno que emerge da interação entre o dióxido de carbono e a Coca-Cola. Se disséssemos que havia alguma 'partícula bolha' hipotética que realmente existisse, poderíamos medir as 'quase' bolhas em uma Coca-Cola para aprender mais sobre suas características e fornecer evidências da existência dessa partícula imaginária.



Ao observar quasipartículas com propriedades que correspondiam às previsões teóricas dos férmions de Majorana, os pesquisadores acreditaram que haviam encontrado uma arma fumegante que provava que essas partículas peculiares realmente existiam.

Lamentavelmente, pesquisas recentes mostraram que esse achado estava errado. O dispositivo que os pesquisadores de 2017 usaram só deveria gerar sinais de quasipartículas de Majorana quando exposto a um campo magnético preciso. Mas novos pesquisadores da Penn State e da Universidade de Wurzburg descobriram que esses sinais surgiam sempre que um supercondutor e um isolante topológico eram combinados, independentemente do campo magnético. O supercondutor, ao que parece, agiu como um curto-circuito neste sistema, resultando em uma medição que parecia correta, mas na verdade era apenas um alarme falso. Como o campo magnético não estava contribuindo para esse sinal, as medições não coincidiam com a teoria.

'Esta é uma excelente ilustração de como a ciência deve funcionar,' disse um dos pesquisadores. “Alegações extraordinárias de descoberta precisam ser cuidadosamente examinadas e reproduzidas. Todos os nossos pós-doutorandos e alunos trabalharam muito para garantir que executassem testes muito rigorosos das afirmações anteriores. Também estamos garantindo que todos os nossos dados e métodos sejam compartilhados de forma transparente com a comunidade, para que nossos resultados possam ser avaliados criticamente por colegas interessados. '

Dispositivo de férmion de Majorana

Prevê-se que férmions de Majorana apareçam em dispositivos onde um supercondutor é afixado no topo de um isolador topológico (também conhecido como isolador Hall anômalo quântico [QAH]; painel esquerdo). Experimentos realizados na Penn State e na Universidade de Würzburg na Alemanha mostram que a pequena tira supercondutora usada no dispositivo proposto cria um curto elétrico, impedindo a detecção de Majoranas (painel direito).

Cui-zu Chang, Penn State

Por que isso importa?

Além do valor intrínseco de compreender melhor a natureza de nosso universo, os férmions de Majorana poderiam ser usados ​​de forma prática e séria. Eles podem levar ao desenvolvimento do que é conhecido como um computador quântico topológico.

Um computador quântico normal está sujeito à decoerência - essencialmente, é a perda de informações para o meio ambiente. Mas os férmions de Majorana têm uma propriedade única quando aplicados em computadores quânticos. Dois desses férmions podem armazenar um qubit único (o equivalente do computador quântico de um bit) de informação, ao contrário de um computador quântico regular onde um único qubit de informação é armazenado em uma única partícula quântica. Assim, se o ruído ambiental perturbar um férmion de Majorana, sua partícula associada ainda armazenaria a informação, evitando a decoerência.

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Para tornar isso realidade, os pesquisadores ainda estão persistentemente procurando pela partícula de anjo. Por mais promissora que a pesquisa de 2017 pareça, parece que a caça continua.


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