Cientistas da Universidade de Princeton usaram um microscópio de varredura por tunelamento para mostrar a estrutura atômica de um fio de ferro em um átomo sobre uma superfície de chumbo. A parte ampliada da imagem mostra a probabilidade quântica do conteúdo no fio de uma partícula indescritível, chamada de férmion de Majorana. É importante notar que a imagem mostra partículas no final do fio, que é exatamente onde os cálculos teóricos previram por muitos anos.
Se você pensou que a busca pelo bóson de Higgs - uma partícula elusiva que dá massa à matéria - foi épica, então pense nos físicos que estavam tentando encontrar uma maneira de descobrir outra partícula subatômica escondida desde os anos 1930, quando surgiu a primeira hipótese.
Mas agora, graças ao uso de 2 grandes microscópios fantásticos, esta partícula muito estranha e potencialmente revolucionária foi descoberta.
Imagine o férmion de Majorana, uma partícula que também é sua própria antipartícula, uma candidata à matéria escura e um possível mediador da computação quântica.
Fermion Majorana é nomeado após o físico italiano, Ettore Majorana, que formulou uma teoria descrevendo esta partícula única. Em 1937, Majorana previu que uma partícula estável pode existir na natureza, que é ao mesmo tempo matéria e antimatéria. Em nossa experiência cotidiana, há também matéria (que é encontrada em abundância em nosso Universo) e antimatéria (o que é extremamente raro). Se a matéria e a antimatéria se encontram, elas se aniquilam, desaparecendo num lampejo de energia. Um dos maiores mistérios da física moderna é como o Universo se tornou mais importante que a antimatéria. A lógica determina que matéria e antimatéria são partes da mesma coisa, como lados opostos de uma moeda, e deveriam ter sido criadas no mesmo ritmo. Neste caso, o universo teria sido destruído antes que pudesse se estabelecer. No entanto, algum processo após o Big Bang mostra que mais matéria foi produzida do que a antimatéria, por isso é importante que a matéria ganhe, o que preenche o Universo que conhecemos e amamos hoje.
No entanto, o férmion de Majorana é diferente em suas propriedades e também é uma antipartícula. Enquanto o elétron é matéria, e o pósitron é a partícula anti-material do elétron, o férmion de Majorana é tanto matéria quanto antimatéria. É essa dualidade material / anti-material que tornou essa pequena fera tão difícil de rastrear nos últimos 8 anos. Mas os físicos o fizeram e, para realizar a tarefa, foi preciso um tremendo engenho e um microscópio enormemente grande.
A teoria mostra que o férmion de Majorana deve se estender na borda de outros materiais. Assim, uma equipe da Universidade de Princeton criou um fio de ferro em um átomo de espessura na superfície do chumbo e fez um aumento no final do fio usando um mega-microscópio no laboratório de vibrações ultrabaixos no Yadwin Hall, em Princeton.
"Esta é a maneira mais fácil de ver o férmion de Majorana, que deve ser criado no limite de alguns materiais", diz o físico líder Ali Yazdani da Universidade de Princeton, em Nova Jersey, em um comunicado à imprensa. "Se você quiser encontrar essa partícula dentro do material, você deve usar um microscópio que lhe permita ver onde realmente está." A pesquisa de Yazdani foi publicada na revista Science na quinta-feira (2 de outubro). A busca pela fermaso majorana é significativamente diferente da busca por outras partículas subatômicas, que são mais iluminadas na prensa larga. A caça ao bóson de Higgs (e partículas semelhantes) requer os mais poderosos aceleradores do planeta para gerar a enorme colisão de energia necessária para simular condições logo após o Big Bang. Esta é a única maneira de isolar o bóson de Higgs, rapidamente em decomposição, e então estudar os produtos de sua decadência.
Em contraste, o férmion de Majorana só pode ser detectado em uma substância pelo seu efeito sobre os átomos e as forças que o cercam - portanto, nenhum acelerador poderoso é necessário, mas o uso de poderosos microscópios de tunelamento é necessário. Um ajuste muito fino do material alvo também é necessário para que o férmion de Majorana seja isolado e exibido.
Esse controle rigoroso exige um resfriamento extremo dos finos fios de ferro para garantir a supercondutividade. A supercondutividade é alcançada quando as flutuações térmicas de um material são reduzidas a tal ponto que os elétrons podem passar por este material com resistência zero. Reduzindo o alvo para 272 graus Celsius - para um grau acima do zero absoluto, ou 1 Kelvin - condições ideais podem ser alcançadas para a formação do férmion de Majorana.
"Isso mostra que esse sinal (Majorana) existe apenas no limite", disse Yazdani. “Esta é uma assinatura chave. Se você não tem, então este sinal pode existir por outras razões. ” Experimentos anteriores removeram sinais possíveis do férmion de Majorana em instalações similares, mas esta é a primeira vez que um sinal particular de partículas apareceu, depois de remover todas as fontes de interferência, exatamente no lugar onde se prevê que esteja. "Isso só pode ser alcançado através de uma instalação experimental - simples e sem o uso de materiais exóticos que poderiam interferir", disse Yazdani.
"O interessante é que é muito simples: é chumbo e ferro", disse ele.
Verificou-se agora que existem algumas oportunidades interessantes para várias áreas da física moderna, engenharia e astrofísica.
Por exemplo, o férmion de Majorana interage fracamente com a matéria comum, assim como o neutrino fantasmagórico. Os físicos não têm certeza se os neutrinos têm uma antipartícula separada ou, como a fusão de Majorana, é sua própria antipartícula. Neutrinos são abundantes no universo, e os astrônomos costumam ressaltar que os neutrinos são uma grande parte da matéria escura que supostamente preenche o Cosmos. Provavelmente, neutrinos são o mesmo que partículas de Majorana e Fermions, e Majorana também são candidatos à matéria escura.
Existe também uma aplicação industrial potencialmente revolucionária se os físicos puderem codificar a matéria com férmions de Majorana. Atualmente, os elétrons são usados na computação quântica, potencialmente criando computadores que podem resolver sistemas inumeráveis em um instante. Mas os elétrons são notoriamente difíceis de controlar e muitas vezes violam os cálculos depois de interagir com outros materiais ao seu redor. No entanto, o férmion de Majorana, que está interagindo extremamente fracamente com o material, é surpreendentemente estável devido à sua dualidade material / anti-material. Por essas razões, os cientistas podem usar essa partícula, aplicando-a tecnicamente em materiais, codificando e, possivelmente, descobrindo cada vez mais novos métodos de computação quântica.
Assim, embora sua descoberta não crie drama e colida de partículas relativísticas juntas nas câmaras de vácuo dos detectores do LHC, a descoberta mais sutil do Majorana pode desenvolver uma nova abordagem para a matéria escura e fazer uma revolução na computação.
E, talvez, a espera de 80 anos pela abertura valesse a pena, afinal.
