Ser ou não ser, ligado ou desligado, zero ou um, partícula ou onda. O mundo está cheio de alternativas mutuamente excludentes. Mas há também muito entre esses extremos. Muita ambiguidade, indefinição: ondas que são partículas e podem estar ligadas e desligadas, sendo e/ou não sendo. Enquanto na escala cosmológica, temos os quasares (objetos quase estelares), na escala subatômica encontramos as quasipartículas. E nenhuma quasipartícula é tão quase e tão ambígua quanto o Férmion de Majorana. Nem quase tão fácil de encontrar.

Quando se fala na descoberta ou observação de partículas exóticas (ou quasipartículas), é de se esperar o envolvimento de aceleradores de partículas gigantes, a colaboração de inúmeros cientistas e orçamentos bilionários. Quando se fala em partículas de matéria e antimatéria, pensamos em aniquilação completa e imediata. Nada disso vale para o Férmion de Majorana, uma das criaturas mais bizarras do zoológico subatômico, recém-encontrada, debaixo de um microscópio, escondidinha na ponta de um fio de ferro.

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Ettore Majorana: sumiu sem deixar rastros. Exceto por uma quasipartícula que leva seu nome. [Imagem: wikimedia]

Proposto em 1937 pelo físico italiano Ettore Majorana [1906-1938?], esse férmion tem a incrível propriedade de ser matéria e antimatéria. Ao mesmo tempo. De maneira surpreendentemente estável. Um pouco como no nêutron, o férmion de Majorana combina as propriedades opostas de matéria e antimatéria de maneira não-destrutiva. Como a partícula que propôs, o próprio Majorana sumiu misteriosamente numa viagem de barco entre Palermo e Nápoles em 1938, dando-nos o duplo mistério sobre o paradeiro do descobridor e sua descoberta. O sumiço do homem Majorana ainda não foi resolvido (há hípóteses de assassinato, suicídio, retirada para um mosteiro ou fuga para a Argentina). A partícula acaba de ser encontrada.

Sendo neutro, o férmion de Majorana interage muito fracamente com o ambiente. Aliado ao desaparecimento de seu propositor, isso desestimulou as pesquisas por décadas. Foi somente em 2000 que o físico russo-americano Alexei Kitaev demonstrou que, sob as condições corretas, um Férmion de Majorana poderia se formar na ponta de um nanocabo supercondutor.

Fenômeno em que um material pode conduzir eletricidade sem qualquer resistência, a supercondutividade ainda é incomum. Mas já é bastante conhecida e muito mais fácil de ser usada em laboratório do que um supercolisor bilionário como o LHC. Pelas previsões de Kitaev, a indução de certas formas de supercondutividade causaria a formação de Majoranas estáveis e que não se aniquilam por não estarem em contato próximo (mas podem se aniquilar se o nanocabo for minúsculo demais).

Mas pra que serve uma Majorana? Sendo tão ambígua, essa quasipartícula pode ter diversas propriedades teóricas e aplicações práticas. Uma partícula parecida com a Majorana é o neutrino, que também interage muito fracamente com o ambiente e é difícil de detectar. Por isso, o neutrino poderia ser um tipo de Majorana — sendo o neutrino e o antineutrino a mesma e única partícula. Majoranas também podem ser boas candidatas para partículas de matéria escura, a misteriosa substância que permeia a maior parte do universo e que ainda não foi observada porque também não interage diretamente com outras partículas.

Em seu estudo de 2000, Kitaev também indicava um bom uso prático para a Majorana: computação quântica. Nesse tipo de computação, os elétrons podem ser usados para representar não apenas zeros e uns mas também o estado quântico de superposição – quando uma partícula poderia ser zero e um. As oportunidades são vastas para a solução de muitos problemas incalculáveis pela computação tradicional. O problema é que o elétron não é estável para computação quântica. Não serve como partícula mediadora (ou qubit). Agora a Majorana pode ser a peça que faltava para os computadores quânticos.

A busca pela Majorana foi retomada em 2012, quando uma equipe de pesquisa da Delft University of Technology encontrou indícios de Férmions de Majorana num experimento de supercondutividade que envolvia um semicondutor chamado Antimoneto de índio (InSb). A recepção foi cética, já que outros fenômenos poderia explicar o achado.

Ali Yazdani

Ali Yazdani: encontrar Majorana foi mais simples do que o esperado. A partícula, quer dizer. [Imagem: Brian Wilson/Princeton University]

Mas o professor Ali Yazdani, da Universidade Princeton, achou que podia haver algo mais ali. Em 2013, Yazdani e Andrei Bernevig — professor-associado de Física em Princeton — propuseram uma nova abordagem para observar a partícula Majorana em materiais que combinam magnetismo e supercondutividade. A observação seria feita diretamente, usando um microscópio de corrente de tunelamento.

Yazdani e Bernevig receberam financiamentos do Princeton Center for Complex Materials, da National Science Foundation e US$3 milhões de dólares do Office of Naval Research. Também colaboraram cientistas da University of Texas-Austin.

Para capturar uma partícula, é preciso ter uma armadilha. A armadilha de Yazdani e Bernevig tem como base um cristal ultrapuro de chumbo, no qual os átomos se alinham alternadamente, deixando ranhuras de espessura atômica na superfície. Depois, numa dessas ranhuras, os pesquisadores montaram um fio de ferro. O que talvez seja o menor fio de ferro do mundo, com apenas um átomo de largura e três de espessura.

Em seguida, esse fio de ferro apoiado em base de chumbo foi colocado diretamente sob o microscópio de tunelamento e tudo foi resfriado até -272ºC, um grau acima do zero absoluto. Mas isso foi só o começo: nos dois anos seguintes, Yazdani et. al. tiveram que regular as condições de supercondutividade e magnetismo até as ideais.

O setup do microscópio permitia não apenas a detecção do sinal eletricamente neutro que se esperava, mas a visualização direta de como o sinal muda ao longo do cabo, permitindo-se até ver a probabilidade quântica de encontrar o Férmion de Majorana ao longo do nanofio de ferro.

Partícula Majorana

Em azul escuro, a base de chumbo cristalino e suas ranhuras. Em relevo, o fio de ferro monoatômico montado numa ranhura. No detalhe, a observação que faltava: a partícula Majorana bem na ponta do fio. [Imagem: Yazdani Lab, Princeton University]

Em declaração ao Phys.org sobre o resultado das observações recém-realizadas, Yazdani afirma que elas mostram que “o sinal vive apenas na extremidade [do fio]. Essa é a assinatura-chave. Se não se tem isso, então o sinal pode existir por muitas outras razões.” Bernevig complementa: “Contanto que você tenha um forte material magnético – como ferro, mas poderia ser outros magnetos – nos quais os elétrons estão magneticamente polarizados, os parâmetros nos quais Majoranas são possíveis de aparecer aumentam dramaticamente”.

Ainda que o equipamento experimental envolvido não seja trivial — supercondutividade e magnetismo combinados, microscópio de corrente de tunelamento, refrigeração a zero grau e um laboratório de vibrações ultrabaixas —, são condições bem menos complexas que outros sistemas de detecção de partículas. A simplicidade é destacada por Yazdani: “O que é excitante é que é muito simples: é chumbo e ferro.” A nova técnica e seus resultados foram publicadas na edição de 2 de outubro da revista Science.

REFERÊNCIAS

rb2_large_gray25KITAEV, Alexei. Unpaired Majorana fermions in quantum wires. Arxiv.org. Mesoscale and Nanoscale Physics (cond-mat.mes-hall); Quantum Physics (quant-ph) DOI: 10.1070/1063-7869/44/10S/S29. Cite as: arXiv:cond-mat/0010440 [cond-mat.mes-hall] (Submitted on 27 Oct 2000 (v1), last revised 30 Oct 2000 (this version, v2))
YAZDANI, Ali; BERNEVIG, Andrei B.; NADJ-PERGE, Stevan. et. al. Observation of Majorana fermions in ferromagnetic atomic chains on a superconductor. Science. DOI: 10.1126/science.1259327. Published Online October 2 2014.
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