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Férmions de Majorana em materiais topologicamente não-triviais

Processo: 18/21623-0
Linha de fomento:Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Vigência (Início): 01 de dezembro de 2018
Vigência (Término): 30 de novembro de 2020
Área do conhecimento:Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
Pesquisador responsável:Iakov Veniaminovitch Kopelevitch
Beneficiário:Andrei Alaferdov
Instituição-sede: Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW). Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Campinas , SP, Brasil
Vinculado ao auxílio:17/10581-1 - Fenômenos emergentes em sistemas de dimensões reduzidas, AP.TEM
Assunto(s):Filmes finos   Grafenos   Supercondutividade   Isolantes topológicos

Resumo

Atualmente, existe um grande interesse pelos materiais conhecidos como isolantes topológicos (IT). IT é um estado da matéria topologicamente não-trivial que, da mesma forma que o efeito Hall quântico, apresenta gap isolante no volume, mas que possui estados condutores na superfície, e que ocorre em campo nulo, ou seja, sem quebra de simetria de reversão temporal, o que difere do estado Hall quântico. Esses estados metálicos são análogos aos estados de borda que caracterizam um material com efeito spin Hall quântico, ou seja, um sistema em que há fluxo superficial de duas correntes de spin em sentidos opostos devido à interação spin-órbita (ISO). Semelhante ao grafeno, IT possui um cone de Dirac em sua superfície.Férmions de Majorana é uma excitação coletiva que é a sua própria antipartícula e que pode ser detectado em vórtices Josephson (fluxons) presos entre dois supercondutores. No caso dos supercondutores topológicos, vórtices Josephson estão acoplados com um modo Majorana de energia zero e vão se comportar como ânions não-Abelianos, apesar do fato de eles não possuírem um núcleo normal. Materiais à base de grafeno, em que supercondutividade local topologicamente não-trivial ocorre em temperaturas elevadas, podem apresentar um laboratório natural para se testar esta previsão teórica. Uma das maneiras de se detectar a presença dos férmions de Majorana foi proposta teoricamente por Ioselevich e Feigel'man, que consideraram um estreito canal atravessando um isolante topológico com ambas as faces cobertas por um supercondutor do tipo s-wave. Na presença de um vórtice nesse canal, teremos, essencialmente, um nanofio balístico conectando as superfícies supercondutoras, com um par de estados de Majorana nele. Com base em uma série de cálculos, os autores provaram que a energia desses estados de Majorana possui uma dependência periódica em relação à diferença de fase entre as superfícies. Outro fenômeno de interesse é a já centenária supercondutividade, mas que ainda oferece muitos desafios aos cientistas. A supercondutividade e vórtices induzidos, ambos em grafeno e IT, abrem a possibilidade de se formar e detectar férmions de Majorana, bem como a base para a sua implementação em computação quântica. Sabe-se que férmions de Majorana podem ser observados quando o estado de supercondutor topológico está estabelecido no material. Esse estado pode ser alcançado através da presença de ISO forte ou campo de Zeeman alterado. O campo de Zeeman pode ser induzido em grafeno através de forte interação de troca magnética (ITM) em sistema grafeno/isolante magnético. A ISO pode ser alcançada no grafeno pelo o efeito de proximidade entre grafeno e metais de transição com alta ISO, através de hidrogenação de grafeno ou dopagem com átomos de metais alcalinos. Foi demostrado que as nanofitas de grafeno são candidatos adequados para a observação de férmios de Majorana, através da supercondutividade topológica induzida em suas bordas do tipo armchair, onde a degeneração dos vales, na zona de condutância mais baixa, está quebrada por causa dos efeitos de borda. Esse fato, junto à presença de ISO e/ou ITM, leva à formação do estado topológico neste material.Alguns trabalhos teóricos mostram que em grafite a supercondutividade topológica poderia ser realizada na superfície da fase romboédrica com bandas planas topologicamente protegidas em estrutura com empilhamento híbrido entre as fases hexagonais e romboédricas. Os trabalhos experimentais atualmente começam a revelar um possível estado supercondutor em grafeno em múltiplas camadas ou "twisted" bi-camada de grafeno. Nestes casos a indicação do estado supercondutor foi obtida na superfície através do aumento da concentração dos portadores aplicando um campo elétrico. Portanto, podemos supor que os materiais à base de carbono em formato topologicamente não-trivial podem mostrar supercondutividade que favorece a observação dos férmions de Majorana.