Pesquisadores da Universidade de Maryland capturaram a evidência mais direta até hoje de uma peculiaridade quântica que permite que as partículas entrem em túnel através de uma barreira como se nem estivesse lá. O resultado, apresentado na capa da edição de 20 de junho de 2019 da revista Nature, pode permitir que engenheiros projetem componentes mais uniformes para futuros computadores quânticos, sensores quânticos e outros dispositivos.
O novo experimento é uma observação do tunelamento de Klein, um caso especial de um fenômeno quântico mais comum. No mundo quântico, o tunelamento permite que partículas como elétrons passem por uma barreira, mesmo que não tenham energia suficiente para realmente passar por cima dela. Uma barreira mais alta geralmente torna isso mais difícil e permite que menos partículas passem.
O tunelamento de Klein ocorre quando a barreira se torna completamente transparente, abrindo um portal que as partículas podem atravessar independentemente da altura da barreira. Cientistas e engenheiros do Centro de Nanofísica e Materiais Avançados (CNAM) da UMD, do Instituto Conjunto Quântico (JQI) e do Centro de Teoria da Matéria Condensada (CMTC), com nomeações no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UMD e Departamento de Física, medições mais convincentes ainda do efeito.
“O tunelamento de Klein era originalmente um efeito relativista, previsto pela primeira vez há quase cem anos”, diz Ichiro Takeuchi, professor de ciência e engenharia de materiais (MSE) da UMD e principal autor do novo estudo. “Até recentemente, porém, você não podia observá-lo.”
Era quase impossível coletar evidências para o tunelamento de Klein, onde foi previsto pela primeira vez – o mundo das partículas quânticas de alta energia se aproximando da velocidade da luz. Mas, nas últimas décadas, os cientistas descobriram que algumas das regras que governam as partículas quânticas de movimento rápido também se aplicam às partículas comparativamente lentas que viajam perto da superfície de alguns materiais incomuns.
Um desses materiais – que os pesquisadores usaram no novo estudo – é o hexaboreto de samário (SmB6), uma substância que se torna um isolante topológico a baixas temperaturas. Em um isolante normal, como madeira, borracha ou ar, os elétrons ficam presos, incapazes de se mover mesmo quando a tensão é aplicada. Assim, ao contrário de seus companheiros de livre circulação em um fio de metal, os elétrons em um isolante não podem conduzir uma corrente.
Isolantes topológicos como o SmB6 se comportam como materiais híbridos. Em temperaturas baixas o suficiente, o interior do SmB6 é um isolante, mas a superfície é metálica e permite que os elétrons tenham liberdade de locomoção. Além disso, a direção que os elétrons movem fica bloqueada para uma propriedade quântica intrínseca chamada spin, que pode ser orientada para cima ou para baixo. Elétrons se movendo para a direita sempre terão seu spin apontando para cima, por exemplo, e os elétrons que se movem para a esquerda terão seu spin apontando para baixo.
A superfície metálica do SmB6 não teria sido suficiente para detectar túneis Klein, no entanto. Acontece que Takeuchi e seus colegas precisaram transformar a superfície do SmB6 em um supercondutor – um material que pode conduzir corrente elétrica sem qualquer resistência.
Para transformar o SmB6 em um supercondutor, eles colocam um filme fino sobre uma camada de hexaboreto de ítrio (YB6). Quando todo o conjunto foi resfriado a apenas alguns graus acima do zero absoluto, o YB6 se tornou um supercondutor e, devido à sua proximidade, a superfície metálica do SmB6 também se tornou um supercondutor.
Foi um “acaso” que o SmB6 e seu parente trocado no ítrio compartilhassem a mesma estrutura cristalina, diz Johnpierre Paglione, professor de física na UMD, diretor do CNAM e coautor do artigo de pesquisa. “No entanto, a equipe multidisciplinar que temos foi uma das chaves para esse sucesso. Ter especialistas em física topológica, síntese de filme fino, espectroscopia e compreensão teórica realmente nos levou a esse ponto”, acrescenta Paglione.
A combinação provou a mistura certa para observar o tunelamento de Klein. Ao colocar uma pequena ponta de metal em contato com o topo do SmB6, a equipe mediu o transporte de elétrons da ponta para o supercondutor. Eles observaram uma condutibilidade perfeitamente dupla – uma medida de como a corrente através de um material muda à medida que a voltagem é variada.
“Quando observamos pela primeira vez a duplicação, não acreditei”, diz Takeuchi. “Afinal de contas, é uma observação incomum, então eu pedi ao meu pós-doutorado Seunghun Lee e ao cientista pesquisador Xiaohang Zhang para voltar e fazer o experimento novamente.”
Quando Takeuchi e seus colegas experimentais se convenceram de que as medidas eram precisas, eles inicialmente não entenderam a origem da dupla condutância. Então eles começaram a procurar por uma explicação. Victor Galitski, da UMD, um membro da JQI, professor de física e membro da CMTC, sugeriu que o tunelamento de Klein poderia estar envolvido.
“No começo, foi apenas um palpite”, diz Galitski. “Mas, com o tempo, ficamos mais convencidos de que o cenário de Klein pode, na verdade, ser a causa subjacente das observações.”
Valentin Stanev, pesquisador associado do MSE e pesquisador do JQI, aceitou o palpite de Galitski e elaborou uma cuidadosa teoria de como o tunelamento de Klein poderia emergir no sistema SmB6 – em última análise, fazendo previsões que combinavam bem com os dados experimentais.
A teoria sugeria que o tunelamento de Klein se manifesta neste sistema como uma forma perfeita da reflexão de Andreev, um efeito presente em todos os limites entre um metal e um supercondutor. A reflexão de Andreev pode ocorrer sempre que um elétron do metal pula em um supercondutor. Dentro do supercondutor, os elétrons são forçados a viver em pares, então quando um elétron pula, ele pega um amigo.
Para equilibrar a carga elétrica antes e depois do salto, uma partícula com carga oposta – que os cientistas chamam de buraco – deve refletir de volta no metal. Esta é a marca da reflexão de Andreev: um elétron entra, um buraco volta. E como um buraco se movendo em uma direção carrega a mesma corrente que um elétron se movendo na direção oposta, todo esse processo duplica a condutância geral – a assinatura de Klein através de uma junção de um metal e um supercondutor topológico.
Nas junções convencionais entre um metal e um supercondutor, há sempre alguns elétrons que não fazem o salto. Eles se espalham pela fronteira, reduzindo a quantidade de reflexo de Andreev e impedindo uma duplicação exata da condutância.
Mas como os elétrons na superfície do SmB6 têm sua direção de movimento ligada ao seu giro, os elétrons próximos ao limite não podem se recuperar – o que significa que eles sempre transitarão direto para o supercondutor.
“O tunelamento de Klein também foi visto no grafeno”, diz Takeuchi. “Mas aqui, porque é um supercondutor, eu diria que o efeito é mais espetacular. Você consegue essa duplicação exata e um cancelamento completo do espalhamento, e não há um análogo disso no experimento do grafeno.”
Junções entre supercondutores e outros materiais são ingredientes em algumas arquiteturas de computadores quânticas propostas, bem como em dispositivos de detecção de precisão. A ruína desses componentes sempre foi que cada junção é um pouco diferente, diz Takeuchi, exigindo ajuste e calibração infinitos para alcançar o melhor desempenho. Mas com o tunelamento de Klein no SmB6, os pesquisadores podem finalmente ter um antídoto para essa irregularidade.
“Na eletrônica, a disseminação de dispositivo para dispositivo é o inimigo número um”, diz Takeuchi. “Aqui está um fenômeno que se livra da variabilidade.”
O trabalho de pesquisa, “Reflexão perfeita de Andreev, devido ao paradoxo de Klein em um estado supercondutor topológico”, Seunghun Lee, Valentin Stanev, Xiaohang Zhang, Drew Stasak, Jack Flowers, Joshua S. Higgins, Sheng Dai, Thomas Blum, Xiaoqing Pan, Victor M. Yakovenko, Johnpierre Paglione, Richard L. Greene, Victor Galitski e Ichiro Takeuchi, foram publicados na revista Nature em 20 de junho de 2019.
Publicado em 20/06/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-06-quantum-portal-emerges-exotic-interface.html
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