Cargas fracionárias em grafeno bicamada no Instituto Weizmann: indícios de anyons não abelianos

Pesquisadores conseguiram acompanhar uma carga fracionária que percorre um trajeto em laço dentro de carbono ultrafino e observaram seu retorno com um ritmo de interferência constante.

O achado reforça a hipótese de que existem partículas quânticas cujo estado coletivo consegue manter um registro de trocas anteriores.

Um laço com consequências

Esse sinal rítmico surgiu de um laço definido por portas eletrostáticas (gates), descrito em um artigo recente, no qual a resistência aumentava e diminuía de forma previsível.

Ao manter o dispositivo estável, o físico de matéria condensada Dr. Yuval Ronen investigou se a carga em movimento no laço permanecia coerente.

No Instituto Weizmann de Ciências (WIS), o laboratório dele fabrica circuitos de grafeno que permitem aos cientistas direcionar o movimento quântico por meio de eletrodos.

Esse tipo de controle é crucial porque futuros computadores quânticos precisam de informação que sobreviva a perturbações locais - e não apenas de isolamento perfeito dentro de um refrigerador criogênico.

Quando elétrons viram frações

Temperaturas extremas de frio e campos magnéticos intensos podem obrigar os elétrons a se organizarem em novos padrões, nos quais a carga aparece “em pedaços”.

O efeito Hall quântico fracionário - em que elétrons se comportam como cargas menores ao longo das bordas - foi relatado pela primeira vez em 1982.

Com frequência, físicos chamam essas excitações com “cara” de fração de anyons: pacotes semelhantes a partículas que só existem em duas dimensões.

Frações com denominador par são candidatas fortes a anyons não abelianos, nos quais as trocas mudam a forma de um estado quântico compartilhado, em vez de produzirem apenas mudanças simples de fase.

Lendo a interferência quântica

Partículas quânticas também se comportam como ondas. A função de onda - a matemática que acompanha essas possibilidades - descreve o estado delas.

Quando o laço dividia uma onda e depois a reunia, os dois caminhos podiam se reforçar ou se anular, o que se refletia na resistência medida.

O efeito Aharonov-Bohm, um deslocamento de fase causado por contornar um fluxo magnético, determinou o compasso das faixas de resistência.

Como o padrão permaneceu coerente por muitas voltas, o sinal trouxe pistas sobre que tipo de carga fracionária estava viajando.

A surpresa da meia carga

Um dos relatos registrou o ponto de virada do grupo, quando a interferência se alinhou de perto com uma fração de denominador par.

“Em nosso experimento, conseguimos medir um elétron fracionário com denominador par”, disse Ronen.

Em vez da carga de um quarto esperada, a onda que orbitava se parecia com metade de um elétron, sugerindo um viajante em par.

A equipe de Ronen associou esse sinal de meia carga a duas partículas se movendo juntas, embora ainda não as tivesse separado.

Dentro da ilha carregada

Ao variar as tensões aplicadas no dispositivo, os pesquisadores também puderam ajustar a densidade eletrônica dentro da ilha delimitada pelo laço.

Conforme essa densidade mudava, as linhas de interferência inclinavam, o que indicava que as partículas presas carregavam um quarto da carga de um elétron.

Essas cargas internas interagiam com a onda que circulava, e a presença delas alterava o momento de recombinação que define a resistência.

Ao combinar a carga da ilha com o resultado anterior do laço, as evidências passaram a favorecer um comportamento não abeliano.

Memória armazenada na topologia

Para essas partículas, a ordem importa: cada troca pode reescrever o padrão topológico do sistema, que é protegido por uma estrutura global, e não por detalhes microscópicos.

“Em anyons não abelianos, a troca de posições deixa uma marca na forma da função de onda”, explica Ronen.

Uma revisão clássica descreve como um sistema inteiro pode guardar o histórico das trocas sem fixar a informação em um único ponto.

Esse armazenamento não local cria um obstáculo maior para que defeitos aleatórios ou vibrações apaguem a ordem codificada.

Por que o ruído pesa menos

A maioria dos computadores quânticos constrói qubits - unidades de informação em um computador quântico - a partir de estados locais que se desviam com facilidade.

Calor, campos espúrios e pequenos defeitos do material podem deslocar esses estados locais, o que embaralha a informação armazenada.

“Em anyons não abelianos, a informação sobre a ordem das trocas não é armazenada localmente, mas na função de onda de todo o sistema”, acrescenta Ronen.

Se experimentos como este conseguirem comandar essas trocas sob demanda, a correção de erros pode se tornar mais simples e mais barata.

O que ainda falta como evidência

Padrões de interferência, por si só, não comprovam uma identidade totalmente não abeliana, porque vários estados quânticos podem imitar tempos de fase semelhantes.

Os dados principais se ajustaram tanto a um cenário de meia carga dando uma volta quanto a um de um quarto de carga completando duas voltas antes de recombinar.

Efeitos de temperatura e flutuações dentro da ilha também podem desfocar as assinaturas mais nítidas, especialmente quando várias partículas interagem.

Apenas uma leitura direta da ordem das trocas - e não somente do tamanho da carga - definirá se o sistema de fato “se lembra”.

Próximos passos para o trançamento

No WIS, o trabalho agora se concentra em isolar as menores cargas e controlar quantas ficam dentro da ilha.

“Mostramos que o grafeno bicamada quase certamente abriga partículas que são anyons não abelianos”, conclui Ronen.

Para testar a memória prometida, a equipe precisa trocar partículas em ordens diferentes e comparar a função de onda global do sistema.

Se essas trocas ordenadas deixarem assinaturas de interferência distintas, engenheiros poderão começar a projetar elementos lógicos que resistam ao ruído local.

Um caminho cauteloso adiante

Este dispositivo de grafeno bicamada manteve o sinal coerente por tempo suficiente para sugerir partículas com carga fracionária e com histórico.

O avanço, agora, depende de isolar anyons não abelianos individuais. Também será preciso demonstrar que a ordem das trocas altera o sistema inteiro como previsto.