Supercondutividade quiral em Sn/Si(111): primeira assinatura visual directa

Um grupo internacional de investigadores obteve a primeira assinatura visual directa do emparelhamento quiral num material bidimensional. A descoberta encerra uma discussão de longa data sobre a existência desta fase exótica da matéria

Físicos experimentais e teóricos divulgaram os resultados de um estudo que poderá representar um marco na procura mundial por supercondutores quirais. Num artigo publicado numa revista científica de referência, os autores revelaram uma «assinatura microscópica» da torção de fase do parâmetro de ordem no sistema Sn/Si(111) - uma monocamada de estanho sobre um substrato de silício. Ao contrário de anteriores materiais candidatos, nos quais as provas se mantinham indirectas devido à complexidade das estruturas multibanda, o sistema baseado em estanho permitiu observar esta simetria quântica fundamental no espaço real.

A supercondutividade quiral é um estado raro em que os pares de Cooper de electrões apresentam uma determinada quebra espontânea da simetria de inversão temporal. Em teoria, esta fase prevê a presença de correntes de bordo protegidas topologicamente e de modos de Majorana - quasipartículas singulares que resistem a perturbações externas.

Durante muito tempo, o principal obstáculo à demonstração desta teoria foi a impossibilidade de registar directamente a «torção» da função de onda. Investigadores do MIT e os seus colaboradores ultrapassaram essa limitação ao utilizarem a rede triangular de átomos de estanho como uma «plataforma laboratorial» excepcionalmente pura.

Assinatura microscópica da supercondutividade quiral em Sn/Si(111)

Para reconhecer a fase quiral, a equipa recorreu à microscopia de varrimento por efeito de túnel (STM), a uma temperatura extremamente baixa de apenas 400 mK (próxima do zero absoluto). A análise concentrou-se em defeitos pontuais da rede: átomos substitucionais de silício. Os físicos identificaram uma dicotomia invulgar de «nó - anti-nó»: no local do defeito, a uma energia surge uma acentuada redução da densidade de estados (nó), enquanto a outra se verifica um pico (anti-nó). A avaliação teórica confirmou que esta «separação em camadas» das componentes electrónica e de lacuna da função de onda só pode ocorrer quando os pares supercondutores têm momento angular não nulo, um sinal inequívoco de quiralidade.

Para além das anomalias espectrais, o microscópio revelou padrões geométricos complexos de interferência de quasipartículas, semelhantes a «estrelas» e «flores». Estes desenhos resultam da dispersão dos electrões pelos defeitos e coincidem integralmente com as previsões para o emparelhamento quiral de onda d.

Uma plataforma simples para fases quânticas topológicas

A simplicidade estrutural foi uma vantagem decisiva do sistema Sn/Si(111): trata-se de um isolador de Mott de banda única, no qual os processos físicos não ficam ocultos pela influência de bandas de energia vizinhas. Graças a esta característica, os autores conseguiram desenvolver um modelo matemático em concordância perfeita com a experiência, sem recorrer a coeficientes de ajuste.

O impacto desta descoberta vai muito além da investigação fundamental. A confirmação da realidade física da supercondutividade quiral transforma a camada de estanho sobre silício numa plataforma versátil para estudar fases quânticas topológicas. No futuro, materiais deste tipo poderão constituir a base de hardware para computadores quânticos tolerantes a falhas, protegidos contra erros pela própria natureza da sua fase quântica. Assim, os cientistas não só resolveram um enigma com duas décadas, como também abriram caminho à concretização prática das tecnologias topológicas do futuro.