Sensores quânticos capazes de distinguir as propriedades intrínsecas das partículas. Dispositivos estáveis mesmo em ambientes imperfeitos. Novas estratégias para explorar sistemas reais, longe das idealizações teóricas. Essas são algumas das aplicações potenciais de um tipo peculiar de excitação quântica sugerida no estudo Revisitando os Majoranas dos Pobres: o efeito de transbordamento induzido por troca de spin, que foi recentemente publicado no Journal of Physics: Condensed Matter. Nele, a equipe do físico Antonio Carlos Ferreira Seridonio, professor da Universidade Estadual Paulista (Unesp), campus Ilha Solteira, propõe uma mudança de perspectiva: em vez de buscar sistemas ideais e altamente protegidos, por que não investigar, justamente, versões mínimas e imperfeitas? E encontrar nelas novas funcionalidades?
“Em geral, a área tem focado no crescimento dessas cadeias para gerar um sistema mais ideal, com proteção topológica”, explica o pesquisador. “Só que, nesse trabalho, a gente deu um enfoque justamente oposto. A gente trabalhou apenas com dois sítios para ter a cadeia mínima.” Essa escolha, aparentemente simples, levou a resultados surpreendentes.
Mas antes de avançar, vale uma breve digressão. Em mecânica quântica, o spin é uma propriedade das partículas análoga a um pequeno “momento magnético”. Não se trata de uma rotação literal, mas sim de uma característica fundamental que determina como a partícula interage com campos magnéticos e com outras partículas. Já os férmions são partículas que não podem ocupar o mesmo estado quântico simultaneamente. Por outro lado, os bósons podem compartilhar o mesmo estado, o que é a base de fenômenos como a supercondutividade. Distinguir esses comportamentos é essencial para entender e manipular sistemas quânticos.
Por sua vez, os chamados modos zero de Majorana são excitações quânticas exóticas previstas em sistemas supercondutores e frequentemente associadas à promessa de computação quântica mais robusta. Em condições ideais, esses estados apresentam proteção topológica, isto é, são naturalmente resistentes a perturbações externas.
Mas há uma versão menos “perfeita” dessas excitações. Apelidadas de Majoranas dos Pobres, elas surgem em sistemas mínimos, como cadeias com apenas dois pontos quânticos. Nesses casos, a proteção topológica não está presente. Em vez de tratar isso como um problema, o grupo de Seridonio decidiu explorar essa fragilidade.
“Esses Majoranas, que não são topologicamente protegidos, ao serem perturbados, acabam se sobrepondo”, afirma. “Isso gera um transbordamento da função de onda e esse transbordamento destrói a proteção topológica.”
Esse fenômeno, conhecido como spillover (ou transbordamento), já era conhecido na literatura. Mas o estudo mostrou uma forma inédita de induzi-lo. E, mais importante, de utilizá-lo.
Um novo tipo de transbordamento
Tradicionalmente, o transbordamento da função de onda é provocado por mudanças no potencial químico do sistema. Seridonio e equipe demonstraram que o mesmo efeito pode ser induzido por um mecanismo diferente: o acoplamento magnético com um spin externo.
“Nós mostramos que, se no lugar da mudança do potencial químico se faz um acoplamento de exchange com um spin, também acontece o mesmo efeito”, explica o professor. “Só que a diferença é que depende de quem está perturbando: se é um spin de férmion ou de bóson.” Essa dependência abre uma possibilidade inédita. “Digamos que descobrimos um tipo de sensor de estatística de spin.”
Na prática, o sistema passa a funcionar como uma sonda quântica, capaz de identificar propriedades fundamentais de partículas ou de excitações acopladas a ele. Para entender o fenômeno, é preciso considerar o comportamento da função de onda nos pontos quânticos que compõem o sistema.
“Quando você está na condição ideal, a função de onda de cada Majorana está confinada no seu ponto quântico”, explica o físico. “Agora, quando você perturba esse ponto, ela acaba transbordando e entra no outro ponto quântico.”
Esse transbordamento pode ocorrer de duas formas: pela alteração do potencial químico ou, como demonstrado no estudo, pelo acoplamento magnético. A diferença crucial está no padrão desse transbordamento, que depende da natureza do spin acoplado.
Um dos resultados mais relevantes do trabalho é mostrar que a estrutura dos níveis de energia dentro do gap supercondutor (os chamados níveis subgap) carrega a assinatura da estatística do spin. “A gente consegue oferecer um método alternativo para identificar a natureza quântica de um spin”, afirma Seridonio. “E essa maneira pode ser feita por uma medição de condutância.”
Segundo ele, o número de níveis observados revela diretamente se um spin S é fermiônico (S semi-inteiro) ou bosônico (S inteiro). “No caso de um spin fermiônico, aparecem 2S mais 1 níveis laterais. Se for bosônico, 2S mais 2.” Além disso, há uma diferença qualitativa importante. “No sistema bosônico, os níveis mais internos não dispersam com o acoplamento de exchange. Eles são níveis ‘chatos’. Isso não acontece no caso fermiônico.”
Combinando essas observações, é possível não apenas distinguir a natureza do spin, mas também inferir seu valor a partir de medidas de transporte eletrônico. Outro resultado importante do estudo diz respeito à interação do sistema com o ambiente, em particular, com reservatórios de elétrons.
Tradicionalmente vistos como fontes de ruído e decoerência, esses reservatórios podem, em certas condições, desempenhar um papel estabilizador. “O reservatório era visto como algo nocivo”, diz o pesquisador. “Mas a gente mostrou que ele pode ser utilizado a favor de estabilizar o estado.” O mecanismo é descrito como uma espécie de “cabo de guerra”:
“Você tem o reservatório puxando a função de onda para um ponto quântico, e o exchange empurrando para o outro.” Quando o acoplamento com o reservatório é suficientemente forte e ajustado dentro de uma faixa específica, o transbordamento pode ser suprimido. “Você consegue estabilizar esse Majorana pobre e o transbordamento não ocorre.” Esse efeito, chamado de proteção induzida pelo ambiente, sugere novas formas de controlar estados quânticos em sistemas reais.
Embora o estudo não tenha como foco imediato a construção de computadores quânticos, seus resultados dialogam com os desafios da área. Grande parte da pesquisa em Majoranas busca criar cadeias longas, com dezenas de pontos quânticos, para garantir proteção topológica robusta. “A ideia da área é ampliar isso para 10, 20 quantum dots para se conseguir a proteção topológica”, explica Seridonio.
O novo trabalho aponta um caminho alternativo. “A gente conseguiu estabilizar esses estados apenas com dois sítios.” Isso não substitui a abordagem tradicional, mas sugere que sistemas menores, mais simples de fabricar e controlar, também podem ter utilidade, especialmente como sensores e plataformas de teste.
A pesquisa abre várias frentes para investigações futuras. Uma delas é estudar o efeito de perturbações simultâneas nos dois pontos quânticos. “No trabalho atual só um foi perturbado”, diz o físico. “A ideia seria responder se a perturbação do sistema como um todo garantiria essa estabilidade.”
Outra direção envolve ampliar a faixa de parâmetros em que a estabilização ocorre, tornando o fenômeno mais robusto experimentalmente. O estudo é resultado de uma colaboração que reúne pesquisadores brasileiros em diferentes estágios de carreira e instituições.
“Esse trabalho tem uma história bem curiosa”, conta Seridonio. “Ele está atrelado a um projeto financiado pela FAPESP e surgiu também de um desafio de escrever um artigo de revisão, a convite da revista, com resultados novos.” Entre os colaboradores estão ex-alunos e parceiros de longa data. “É uma sinergia de todos culminando nesse resultado que nós achamos bem interessante”, afirma. “Eu agradeço a parceria desses meus amigos e colaboradores.”
Talvez a principal contribuição do trabalho seja conceitual: mostrar que sistemas não ideais (inevitáveis na prática) podem ser explorados. Ao transformar limitações em ferramentas, o estudo amplia o horizonte da física da matéria condensada e aproxima a teoria das condições experimentais reais. “A gente deu um enfoque oposto ao da área e encontrou novas possibilidades justamente aí”, arremata Seridonio.
Assista à entrevista com o físico Antonio Carlos Ferreira Seridonio
Por Leandro Haberli
