Férmions de Majorana não são anjos!

Já estou faz tempo pensando em escrever alguma coisa sobre o que eu faço no meu doutorado, mas a falta de tempo não me permitiu. Para a minha alegria, o fim das minhas disciplinas coincidiu com uma notícia bastante agradável e bem relacionada ao tema do que um dia deve se tornar minha tese: uma detecção (aparentemente) conclusiva da emergência de “férmions” de Majorana em sistemas de matéria condensada.

OK. Imagino que a última frase tenha informação demais, mas não se preocupe. A ideia do texto é justamente traduzir toda informação que está contida dentro dela. Se tudo der certo, eu espero que pelo menos vocês não saiam chamando nada de “partícula anjo” por aí.

Então vamos por partes:

Férmions de Majorana

No início do século XX, duas teorias surgiram abalar toda a concepção da Física que existia até então: a teoria da Relatividade e a Mecânica Quântica. Eu não vou perder muito tempo contando história, mas o importante é que Paul Dirac deu uma contribuição muito importante na “junção” dessas teorias introduzindo uma equação que descreve o comportamento de fémions (partículas com spin semi-inteiro) relativísticos e de quebra permitiu a previsão da existência de antipartículas. Essa equação tem uma cara assim:

i(\gamma^{\mu} \partial_{\mu} - m)\psi=0.

Se ela não fizer sentido pra você, não se preocupe, não vai atrapalhar em nada. Mas o importante daí é que existe um conjunto de matrizes, \gamma^{\mu}, que precisam obedecer uma certa propriedade (álgebra de Clifford). Mas só isso não dá a cara dessas matrizes, e existe uma infinidade de possíveis escolhas para elas.

Acontece que, em 1937, um físico italiano chamado Ettore Majorana concluiu que existem algumas escolhas dessas matrizes para as quais \psi (a “incógnita” da equação de Dirac) é sempre uma função real (de forma geral, \psi é uma função complexa). E a implicação disso é que as partículas descritas por essa equação são as próprias antipartículas. Sendo assim, os férmions que são as prórpias antipartículas receberam o apelido carinhoso de férmions de Majorana (e por algum motivo idiota resolveram chamar essas partículas de “partícula anjo” – não faça isso).

Majoranas em matéria condensada

Física da Matéria Condensada estuda sistemas com uma densidade de partículas muito grande; e.g. sólidos, moléculas e superfluidos. Mas quando se coloca muitas partículas juntas, o comportamento coletivo delas pode fazer com que tenham características de partículas completamente diferentes. Por exemplo o spin de vários elétrons juntos formam uma quasipartícula chamada mágnon que carrega o spin do sistema sem que os elétrons saiam do lugar.

Acontece que em materiais supercondutores, existem quasipartículas que são combinações de elétrons com buracos (um buraco é a falta de elétron em um lugar que deveria existir um). Como um buraco é, na Física da Matéria Condensada, a antipartícula do elétron, uma combinação dos dois faz com que essa quasipartícula seja sua própria antipartícula. Ou seja, um “férmion” de Majorana.

Você deve estar se perguntando o que me fez usar as aspas. Então aqui vai um comentário bem breve e talvez nem um pouco esclarecedor:

Essas partículas não são exatamente férmions porque elas nem sempre se comportam de acordo com a estatística de Fermi-Dirac. Na verdade essas quasipartículas possuem estatística aniônica não-abeliana.

Independente de você ter entendido ou não o último parágrafo, o que importa é que é possível criar férmions de Majorana em uma classe especial de supercondutores denominados supercondutores topológicos. Então, pra fechar toda essa história, só faltava pegar um supercondutor topológico e ver as assinaturas não-convencionais que essas quasipartículas de Majorana deveriam apresentar em resultados experimentais. Isso leva a última parte desse texto.

Assinatura (aparentemente) conclusiva

Bom, não existem tantos candidatos por aí de supercondutores topológicos, muito menos com elétrons podendo se mover em apenas uma direção (que facilitaria muito a medida de uma assinatura de Majoranas). A ideia, então, é pegar um sistema unidimensional e induzir supercondutividade nele (pra isso, basta apenas colocar esse sistema grudado com um supercondutor). As primeiras tentativas consistiram em pegar um nanofio (um fio de escalas nanométricas), colocar ele perto de um supercondutor e ligar um campo magnético bastante intenso. Mas os resultados pareciam inconclusivos, por conta das assinaturas se confundirem com outro fenômeno típico em materiais supercondutores chamado reflexão de Andreev.

Bom, muita gente continuou tentando e, aparentemente, há três dias atrás um artigo publicado na Science parece ter resolvido todos os problemas. A ideia foi largar mão das facilidades que um sistema unidimensional traria para evitar ambiguidades nas assinaturas experimentais. Bingo! Um ano depois de colocar o preprint online, parece que temos finalmente uma evidência suficientemente conclusiva da emergência dessas quasipartículas, depois de 80 anos da ideia de Majorana.

Um comentário sobre ceticismo

Embora pareça que os resultados são bastante convincentes, provavelmente esse resultado só vai ser bem aceito depois de ser reproduzido por outros grupos de pesquisa e depois de muita gente pensar se não existe nenhum erro de interpretação. Mesmo assim, é um resultado bem animador!

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