Chiral Majorana hinge modes on a curved surface with magnetic impurities

Na busca para construir um computador quântico que não perca informações para a menor vibração ou calor, cientistas estão caçando um tipo muito específico de partícula. Eles estão procurando por um estado da matéria onde os elétrons se comportam como fantasmas, existindo em dois lugares ao mesmo tempo e protegendo seus próprios segredos. Esse estado esquivo é chamado de supercondutor topológico. Nesses materiais, a superfície atua como uma rodovia para partículas conhecidas como modos de Majorana. Essas partículas são suas próprias antipartículas e, crucialmente, podem ser organizadas para formar linhas unidimensionais que são incrivelmente estáveis contra erros. Se os pesquisadores conseguirem isolar e controlar essas linhas, eles poderiam usá-las como os blocos de construção para um novo tipo de memória quântica que é muito mais robusta do que qualquer coisa atualmente possível. O desafio sempre foi como criar as condições certas para que essas linhas aparecessem sem destruir o estado delicado do próprio material.

Durante anos, o método padrão para criar essas linhas protetoras envolvia aplicar um campo magnético forte na superfície de um supercondutor tridimensional. A ideia era que o campo magnético atuaria como um interruptor, alterando as propriedades da superfície de uma forma que forçasse as partículas de Majorana a se agruparem ao longo de uma linha específica, muito parecido com a água fluindo para o ponto mais baixo de um vale. No entanto, havia uma falha importante nessa abordagem. À medida que o campo magnético crescia para criar as condições necessárias, ele também começava a empurrar os elétrons do material para se moverem em círculos, criando correntes elétricas que distorciam a própria superfície que os cientistas estavam tentando estudar. Eventualmente, essa distorção tornava-se tão forte que sobrecarregava o efeito magnético, tornando impossível criar as linhas estáveis necessárias para a computação quântica. Quanto mais forte o campo, mais o material reagia, arruinando o experimento.

Uma equipe de pesquisadores propôs agora um caminho diferente que evita esse conflito inteiramente. Em vez de depender de um poderoso campo magnético externo para fazer todo o trabalho, eles sugerem salpicar a superfície do supercondutor com pequenas impurezas magnéticas — átomos que atuam como pequenos ímãs. Essas impurezas interagem com as partículas da superfície através de uma força chamada acoplamento de troca, que é um aperto de mão mecânico-quântico entre a impureza e o elétron. Essa interação cria um efeito magnético local que é forte o suficiente para mudar as propriedades da superfície, mas não gera as correntes circulares disruptivas que um grande campo externo produziria. Os pesquisadores descobriram que essas impurezas não ficam apenas lá passivamente; elas conversam entre si através das partículas da superfície. Essa conversa, conhecida como interação RKKY, faz com que as impurezas se organizem espontaneamente em um padrão específico.

Em uma superfície esférica, esse arranjo espontâneo cria uma forma que se parece com um ouriço, com todos os pequenos momentos magnéticos apontando diretamente para fora do centro. Embora esse padrão de ouriço seja estável, ele cobre toda a superfície e esconde as linhas especiais que os cientistas precisam. No entanto, os pesquisadores descobriram que aplicar um campo magnético muito fraco ao longo do eixo da esfera muda o jogo. Este campo fraco não é forte o suficiente para causar as correntes disruptivas, mas é forte o suficiente para convencer as impurezas a se rearranjarem. Em vez de apontarem para fora em todos os lugares, as impurezas na metade superior da esfera apontam para fora, enquanto as da metade inferior apontam para dentro. Isso cria uma fronteira, ou uma parede, exatamente ao redor do meio da esfera, o equador.

Neste equador, as propriedades magnéticas da superfície invertem-se de uma direção para a outra. Essa inversão é exatamente o que é necessário para aprisionar uma única e limpa linha de partículas de Majorana. Os pesquisadores mostraram, através de cálculos detalhados e simulações computacionais, que essa linha aparece precisamente no equador, protegida pela simetria da esfera. O campo magnético necessário para criar este estado é incrivelmente pequeno, muito mais fraco do que os níveis que causariam as distorções no material. O trabalho pesado é feito pelas próprias impurezas, que se organizam nesta estrutura de parede específica, enquanto o campo externo atua simplesmente como um seletor para escolher este arranjo em vez do padrão de ouriço.

O estudo confirma que esta configuração cria um supercondutor topológico de segunda ordem, um estado raro da matéria onde a proteção não existe na superfície, mas em uma linha onde duas superfícies se encontram. Os pesquisadores verificaram suas descobertas usando simulações computacionais clássicas que modelaram o comportamento de centenas de impurezas em uma esfera. Eles descobriram que a transição do estado de ouriço para o estado de parede equatorial acontece em uma força de campo específica e previsível, que depende da distância entre as impurezas e do tamanho da esfera. Uma vez que esta parede se forma, a linha de Majorana permanece estável mesmo que o campo aumente ainda mais, com as impurezas simplesmente inclinando-se ligeiramente em direção ao campo sem quebrar o padrão. Este trabalho sugere que, ao decorar um pequeno cristal ou partícula com átomos magnéticos, os cientistas poderiam criar o ambiente ideal para essas partículas quânticas sem os efeitos colaterais destrutivos de ímãs fortes. Se materiais como o UTe2 puderem ser confirmados como hospedeiros deste tipo específico de supercondutividade, este método poderá fornecer uma rota prática para construir os circuitos quânticos estáveis necessários para o futuro da computação.