Físicos desenvolvem um dispositivo que poderia fornecer evidências conclusivas para a existência (ou não) de anyons não-abelianos

Energia Livre - A Corrida para o Ponto Zero Leg. PT- BR (Julho 2019).

Anonim

Que tipos de partículas são permitidas pela natureza? A resposta está na teoria da mecânica quântica, que descreve o mundo microscópico.

Em uma tentativa de estender os limites de nossa compreensão do mundo quântico, os pesquisadores da UC Santa Barbara desenvolveram um dispositivo que poderia provar a existência de anyons não-abelianos, uma partícula quântica que foi matematicamente prevista para existir no espaço bidimensional, mas até agora não conclusivamente mostrado. A existência dessas partículas abriria caminho para grandes avanços na computação quântica topológica.

Em um estudo que aparece na revista Nature, a física Andrea Young, sua aluna de pós-graduação Sasha Zibrov e seus colegas deram um salto em direção a encontrar evidências conclusivas para os indivíduos não-abelianos. Usando o grafeno, um material atomicamente fino derivado do grafite (uma forma de carbono), eles desenvolveram um dispositivo extremamente baixo e altamente sintonizável, no qual os indivíduos não-abelianos deveriam ser muito mais acessíveis. Primeiro, um pouco de fundo: No nosso universo tridimensional, as partículas elementares podem ser férmions ou bósons: pense em elétrons (férmions) ou no Higgs (um bóson).

"A diferença entre esses dois tipos de 'estatística quântica' é fundamental para o comportamento da matéria", disse Young. Por exemplo, férmions não podem ocupar o mesmo estado quântico, permitindo-nos empurrar elétrons ao redor em semicondutores e impedindo o colapso das estrelas de nêutrons. Os bósons podem ocupar o mesmo estado, levando a fenômenos espetaculares, como a condensação de Bose-Einstein e a supercondutividade, explicou. Combine alguns férmions, como os prótons, nêutrons e elétrons que compõem os átomos e você pode obter qualquer tipo, mas nunca evite a dicotomia.

Em um universo bidimensional, no entanto, as leis da física permitem uma terceira possibilidade. Conhecido como "anyons", esse tipo de partícula quântica não é nem um bóson nem um fermion, mas algo completamente diferente - e alguns tipos de anyons, conhecidos como anyons não-abelianos, retêm uma memória de seus estados passados, codificando informações quânticas através longas distâncias e formando os blocos de construção teóricos para computadores quânticos topológicos.

Embora não vivamos em um universo bidimensional, quando confinados a uma folha ou material muito fino, os elétrons o fazem. Nesse caso, anyons podem emergir como "quase-partículas" de estados correlacionados de muitos elétrons. Perturbar tal sistema, digamos, com um potencial elétrico, faz com que todo o sistema se reorganize como se qualquer pessoa tivesse se movido.

A busca por pessoas não-abelianas começa identificando os estados coletivos que os hospedam. "Nos estados Hall quânticos fracionários - um tipo de estado coletivo de elétrons observado apenas em amostras bidimensionais em campos magnéticos muito altos - as quasipartículas são conhecidas por terem precisamente uma fração racional da carga de elétrons, o que implica que são anyons", disse Young.

"Matematicamente, com certeza, estatísticas não-abelianas são permitidas e até mesmo previstas para alguns estados quânticos fracionários de Hall." Ele continuou. No entanto, os cientistas neste campo têm sido limitados pela fragilidade dos estados hospedeiros no material semicondutor, onde eles são tipicamente estudados. Nessas estruturas, os próprios estados coletivos aparecem apenas a temperaturas excepcionalmente baixas, tornando duplamente difícil explorar as propriedades quânticas únicas de indivíduos individuais.

O grafeno prova ser um material ideal para construir dispositivos para procurar os anyons indescritíveis. Mas, enquanto os cientistas estavam construindo dispositivos baseados em grafeno, outros materiais envolvendo a folha de grafeno - como substratos de vidro e portões metálicos - introduziram desordem suficiente para destruir quaisquer assinaturas de estados não-abelianos, explicou Zibrov. O grafeno é bom, é o ambiente que é o problema, ele disse.

A solução? Mais material atomicamente fino.

"Finalmente chegamos a um ponto em que tudo no dispositivo é feito de cristais individuais bidimensionais", disse Young. "Portanto, não apenas o grafeno em si, mas os dielétricos são monocristais de nitreto de boro hexagonal que são planos e perfeitos e os portões são simples cristais de grafite que são planos e perfeitos." Alinhando e empilhando esses cristais planos e perfeitos de material uns sobre os outros, a equipe conseguiu não apenas um sistema de desordem muito baixa, mas também extremamente sintonizável.

"Além de perceber esses estados, podemos ajustar os parâmetros microscópicos de uma maneira muito bem controlada e entender o que torna esses estados estáveis ​​e o que os desestabiliza", disse Young. O alto grau de controle experimental - e eliminação de muitas incógnitas - permitiu que a equipe modelasse teoricamente o sistema com alta precisão, criando confiança em suas conclusões.

O avanço dos materiais confere a essas frágeis excitações certa robustez, com as temperaturas necessárias quase dez vezes mais altas que as necessárias em outros sistemas de materiais. Trazer estatísticas não-abelianas para uma faixa de temperatura mais conveniente é uma oportunidade não apenas para investigações da física fundamental, mas também para o desenvolvimento de um bit quântico topológico, que poderia formar a base para um novo tipo de computador quântico. Os tipos não-abelianos são especiais porque são considerados capazes de processar e armazenar informações quânticas, independentemente de muitos efeitos ambientais, um grande desafio para a realização de computadores quânticos com meios tradicionais.

Mas, dizem os físicos, as primeiras coisas primeiro. Medir diretamente as propriedades quânticas das quasipartículas emergentes é muito desafiador, explicou Zibrov. Embora algumas propriedades - como a carga fracionária - tenham sido definitivamente demonstradas, a prova definitiva das estatísticas não-abelianas - muito menos o aproveitamento de objetos não -abelianos para computação quântica - permaneceu longe do alcance dos experimentos. "Nós ainda não sabemos experimentalmente se existem alguns não-abelianos", disse Zibrov.

"Nossos experimentos até agora são consistentes com a teoria, que nos diz que alguns dos estados que observamos deveriam ser não-abelianos, mas ainda não temos uma arma fumegante experimental."

"Gostaríamos de um experimento que realmente demonstrasse um fenômeno exclusivo das estatísticas não-abelianas", disse Young, que ganhou vários prêmios por seu trabalho, incluindo o prêmio CAREER da National Science Foundation. "Agora que temos um material que entendemos muito bem, há muitas maneiras de fazer isso - veremos se a natureza coopera!"

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