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Mapa da condutância (escala de cores) versus campo magnético (B) e tensão de porta em um dispositivo eletrônico 2D. Cada linha tracejada denota um salto na fase da onda da mecânica quântica do sistema. |
A ciência
Ao contrário das partículas subatômicas, as
quasipartículas não são realmente partículas. Em vez disso, eles são um
conceito que ajuda os cientistas a descrever os padrões que surgem quando as
partículas subatômicas interagem em grandes números. Os cientistas
originalmente acreditavam que as quasipartículas só existiam em dois sabores:
férmions e bósons. No entanto, no final dos anos 1970, os teóricos
previram que um tipo de quasipartícula chamada anyons pode se formar em
sistemas bidimensionais. Os pesquisadores agora encontraram novas
evidências de qualquer pessoa emergindo do comportamento coletivo dos
elétrons. Eles mediram a trança anônica, um termo para partículas
idênticas circulando umas nas outras de maneiras únicas em sistemas
bidimensionais.
O impacto
Esta pesquisa consiste em troca de partículas chamada trança. Essa trança envolve uma quasipartícula girando em torno da outra. Férmions e bósons – os outros tipos de quasipartículas – não retêm memória de um loop. No entanto, os cientistas podem usar tranças para alterar o estado quântico de qualquer pessoa. Isso significa que qualquer pessoa retém memórias de seus loops. A trança pode, portanto, ser aplicada para executar operações de porta lógica em um bit quântico ou qubit. Esses qubits são a base dos computadores quânticos. Os sistemas para muitos podem construir memórias coletivas que podem servir de base para uma abordagem de computação quântica chamada “computação quântica topológica”. Por causa de como a trança funciona, os qubits feitos de qualquer um mantêm sua coerência quântica por muito tempo, permitindo maior fidelidade. Isso ajudaria a enfrentar um dos desafios enfrentados pelos computadores quânticos.
Resumo
A troca de partículas chamada trança é o cerne de
como esta pesquisa demonstrou qualquer pessoa. A troca de duas partículas
quânticas faz com que sua onda mecânica quântica, chamada de função de onda,
adquira um fator de fase. Se as partículas são férmions, o fator de fase é
-1. Se forem bósons, o fator de fase é 1. Em ambos os casos, a troca duas
vezes não produz alteração na função de onda. Mas se as partículas são
anyons, trocá-las dá origem a um fator de fase que pode ser qualquer fração
racional entre -1 e 1. Este é um resultado estranho: significa que trocar duas
partículas idênticas duas vezes e voltar onde as partículas começaram produz um
estado quântico diferente.
Para medir a trança anônica, os pesquisadores
criaram um experimento para perceber o estado da matéria do Hall Quântico
Fracionário (FQH), no qual a corrente elétrica flui apenas na borda da
amostra. Os estados FQH hospedam quasipartículas cuja carga elétrica é 1/3
da carga do elétron. Os cientistas há muito suspeitam que essas
quasipartículas sejam anyons, e trançar duas delas daria um fator de fase de
1/3. No experimento, algumas quasipartículas foram direcionadas para fluir
em torno das quasipartículas em pé no meio do dispositivo experimental. As
quasipartículas em loop adquiriram uma fase dependendo do número de
quasipartículas permanentes circundadas. Outras quasipartículas foram
enviadas em uma rota direta sem mudança de fase. As duas correntes foram
feitas para interferir para produzir sensibilidade de fase. Como
esperado, o padrão de interferência mostrou duas contribuições de
fase. A primeira é uma fase produzida pelo campo magnético, que muda
continuamente. A segunda contribuição é a mudança de fase anônica,
resultante da adição ou subtração de uma única quasipartícula para o interior,
e é discreta, causando saltos na condutância. Os saltos de condutância
medidos foram consistentes com um fator de fase de 1/3, fornecendo evidências
convincentes de trança anônica.
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