Novos trabalhos sugerem a capacidade de criar elétrons fracionados conhecidos como anyons não-abelianos sem campo magnético, abrindo novas possibilidades para pesquisas básicas e aplicações futuras.
Os físicos do MIT mostraram que deveria ser possível criar uma forma exótica de matéria que pudesse ser manipulada para formar os blocos de construção qubit (bit quântico) dos futuros computadores quânticos que são ainda mais poderosos do que os computadores quânticos em desenvolvimento hoje.
O trabalho baseia-se na descoberta feita no ano passado de materiais que hospedam elétrons que podem se dividir em frações de si mesmos, mas, o que é mais importante, podem fazê-lo sem a aplicação de um campo magnético.
O fenômeno geral da fracionamento de elétrons foi descoberto pela primeira vez em 1982 e resultou em um Prêmio Nobel. Esse trabalho, porém, exigiu a aplicação de um campo magnético. A capacidade de criar elétrons fracionados sem campo magnético abre novas possibilidades para pesquisa básica e torna os materiais que os hospedam mais úteis para aplicações.
Quando os elétrons se dividem em frações de si mesmos, essas frações são conhecidas como anyons. Anyons vêm em uma variedade de sabores ou lessons. Os anyons descobertos nos materiais de 2023 são conhecidos como anyons abelianos. Agora, em um jornal relatado na edição de 17 de outubro de Cartas de revisão físicaa equipe do MIT observa que deveria ser possível criar a classe mais exótica de anyons, anyons não-Abelianos.
“Qualquer pessoa não-abeliana tem a capacidade desconcertante de ‘lembrar’ suas trajetórias no espaço-tempo; esse efeito de memória pode ser útil para a computação quântica”, diz Liang Fuprofessor do Departamento de Física do MIT e líder do trabalho.
Fu observa ainda que “os experimentos de 2023 sobre fracionamento de elétrons superaram em muito as expectativas teóricas. Minha conclusão é que nós, teóricos, deveríamos ser mais ousados.”
Fu também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT. Seus colegas no trabalho atual são os estudantes de pós-graduação Aidan P. Reddy e Nisarga Paul, e o pós-doutorado Ahmed Abouelkomsan, todos do Departamento de Física do MIT. Reddy e Paul são co-autores do Cartas de revisão física papel.
O trabalho do MIT e dois estudos relacionados também foram apresentados em um História de 17 de outubro em Revista Física. “Se esta previsão for confirmada experimentalmente, poderá levar a computadores quânticos mais confiáveis, capazes de executar uma gama mais ampla de tarefas… Os teóricos já desenvolveram maneiras de aproveitar estados não-Abelianos como qubits viáveis e manipular as excitações desses estados para permitir sistemas quânticos robustos. computação”, escreve Ryan Wilkinson.
O presente trabalho foi orientado por avanços recentes em materiais 2D, ou aqueles que consistem em apenas uma ou algumas camadas de átomos. “Todo o mundo dos materiais bidimensionais é muito interessante porque você pode empilhá-los e torcê-los, e brincar de Lego com eles para obter todos os tipos de estruturas de sanduíches legais com propriedades incomuns”, diz Paul. Essas estruturas sanduíche, por sua vez, são chamadas de materiais moiré.
Anyons só pode se formar em materiais bidimensionais. Eles poderiam se formar em materiais moiré? Os experimentos de 2023 foram os primeiros a mostrar que sim. Pouco depois, um grupo liderado por Ju longoprofessor assistente de física do MIT, relatou evidências de anyons em outro materials moiré. (Fu e Reddy também estiveram envolvidos no trabalho de Ju.)
No trabalho atual, os físicos mostraram que deveria ser possível criar anyons não-Abelianos em um materials moiré composto de camadas atomicamente finas de ditelureto de molibdênio. Diz Paul, “os materiais moiré já revelaram fases fascinantes da matéria nos últimos anos, e o nosso trabalho mostra que fases não-Abelianas poderiam ser adicionadas à lista”.
Acrescenta Reddy, “nosso trabalho mostra que quando os elétrons são adicionados a uma densidade de 3/2 ou 5/2 por célula unitária, eles podem se organizar em um estado quântico intrigante que hospeda anyons não-Abelianos”.
O trabalho foi emocionante, diz Reddy, em parte porque “muitas vezes há sutileza na interpretação dos resultados e no que eles realmente estão dizendo. Então foi divertido refletir sobre nossos argumentos” em apoio a pessoas não-abelianas.
Diz Paul, “este projeto variou de cálculos numéricos realmente concretos a teorias bastante abstratas e conectou os dois. Aprendi muito com meus colaboradores sobre alguns temas muito interessantes.”
Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA. Os autores também agradecem ao MIT SuperCloud e ao Lincoln Laboratory Supercomputing Heart, ao Kavli Institute for Theoretical Physics, à Knut and Alice Wallenberg Basis e à Simons Basis.
