Os físicos da Universidade do Tennessee lideraram uma equipe científica que descobriu que o silício – um dos pilares da futura indústria eletrônica de trilhões de dólares – pode hospedar uma nova forma de supercondutividade que pode aproximar rapidamente as tecnologias quânticas emergentes da produção em escala industrial.

As descobertas são relatadas na Nature Physics e envolvem roubo de elétrons, reversão do tempo e um pouco de ambidestria eletrônica.

Casais na pista de dança supercondutora

Supercondutores conduzem corrente elétrica sem resistência ou dissipação de energia. Seus usos variam de eletroímãs poderosos para aceleradores de partículas e dispositivos médicos de ressonância magnética a sensores magnéticos ultrassensíveis e computadores quânticos. A supercondutividade é uma exibição espetacular da mecânica quântica em ação em escala macroscópica. Tudo se resume aos elétrons.

Os elétrons são carregados negativamente e se repelem no vácuo. No entanto, em um meio de estado sólido - o reino dos metais e semicondutores - existem cerca de 10 23 outros elétrons e íons positivos que complicam enormemente a imagem. Em um supercondutor, os elétrons de condução superam sua repulsão mútua e são atraídos uns pelos outros por meio de interações com outras partículas. Essa interação faz com que eles formem pares como dançarinos em um baile, formando partículas compostas, ou "pares de Cooper" (assim chamados em homenagem ao Prêmio Nobel Leon Cooper).

Normalmente, a "cola" que causa esse emparelhamento vem das vibrações dos átomos em um metal, mas apenas se os elétrons não se repelem com muita força. O processo é mais ou menos como duas pessoas (os elétrons) em um colchão macio (o meio) que rolam uma na direção da outra quando o colchão é comprimido no centro. As leis da mecânica quântica ditam que os pares de Cooper (ao contrário dos elétrons individuais) podem todos se condensar em um único estado quântico coerente, onde eles se movem em sincronia. O condensado exibe uma rigidez como resultado, permitindo que a corrente flua sem interrupção ou dissipação; em outras palavras: superconduzir. Esse mecanismo leva a supercondutores convencionais (ondas s), como alumínio, estanho ou chumbo.

Quando a repulsão entre os elétrons é forte, no entanto, eles se emparelham em estados de momento angular mais altos para que não cheguem muito perto, resultando, por exemplo, em um supercondutor de onda d. É o caso dos materiais à base de cobre e oxigênio (cupratos) e tem papel de destaque nas pesquisas da Nature Physics e seu potencial futuro.

Neste trabalho, o professor Hanno Weitering e o professor associado Steve Johnston e seus colegas nos EUA, Espanha e China replicaram a física semelhante ao cuprato, cultivando um terço de uma monocamada de átomos de estanho em um substrato (camada de base) de silício. Pense nisso como nove átomos de silício em uma única camada, com três átomos de estanho – colocados mais distantes – empilhados em outra camada no topo. O sistema é projetado de forma que a repulsão entre os elétrons de estanho seja tão forte que eles não possam se mover e não sejam supercondutores.

Weitering, Johnston e seus colegas encontraram uma solução inteligente implantando átomos de boro na estrutura cristalina semelhante a um diamante da camada de silício. Os átomos de boro começaram a roubar elétrons da camada de estanho (normalmente cerca de 10%) em um processo semelhante às técnicas aperfeiçoadas pela indústria de semicondutores. Isso deu aos elétrons de estanho restantes a liberdade de se mover. A camada de estanho tornou-se assim metálica e até supercondutora a uma temperatura crítica superior à de quase todos os supercondutores elementares. É importante ressaltar que o fenômeno também aumentou com o número de átomos de boro ou elétrons roubados, comportamento que lembra os supercondutores de cuprato.

Embora a supercondutividade baseada no roubo de elétrons seja interessante por si só, a equipe de pesquisa descobriu uma física ainda mais intrigante, sugerindo que esse material de estanho-silício hospeda a supercondutividade quiral. Este estado altamente exótico da matéria é fortemente perseguido, em parte devido ao seu potencial para a computação quântica.

Em sistemas quirais, as rotações no sentido horário e anti-horário são as mesmas, mas diferentes - como as mãos esquerda e direita são imagens espelhadas uma da outra que não podem ser sobrepostas. Na mecânica quântica, as propriedades de elétrons simples ou emparelhados são codificadas em uma função de onda matemática que pode ser canhota, destra ou "topologicamente trivial".

A função de onda supercondutora na camada de estanho é no sentido horário em partes da amostra e anti-horário em outras partes. Se alguém retrocedesse o relógio, a função de onda no sentido horário se tornaria anti-horária e vice-versa, mas essas duas funções de onda ainda são diferentes, assim como a mão esquerda e a mão direita são diferentes; como diria um físico, a simetria da reversão do tempo está quebrada.

A quebra de simetria de reversão de tempo é uma marca registrada da supercondutividade quiral. Outra é que o sistema possui dois canais de condução unidimensionais que correm como trilhos de trem ao longo do perímetro do material da amostra. Esses canais hospedam entidades exóticas semelhantes a partículas onde, sob certas condições, a partícula e sua antipartícula se tornam indistinguíveis. As partículas de Majorana são topologicamente protegidas, impermeáveis ??ao que está acontecendo no ambiente ao seu redor. Eles foram concebidos como blocos de construção de futuros computadores quânticos, uma tecnologia emergente que pode ajudar a resolver problemas complexos demais para computadores clássicos. O uso de partículas de Majorana implica uma salvaguarda contra a decoerência, um requisito crítico para o sucesso da computação quântica.

Tomados em conjunto, os resultados da Nature Physics sugerem a possibilidade de integrar propriedades exóticas com uma plataforma de materiais à base de silício facilmente escalável. Como tal, isso aproximaria as tecnologias quânticas futuristas da produção em escala industrial.