Fases Topológicas da Matéria
Fenômenos coletivos são onipresentes em nosso mundo e aparecem em todas as escalas de energia, desde a cosmologia e a física de alta energia até a matéria condensada. As fases topológicas da matéria são um exemplo interessante de efeitos coletivos quânticos exibidos em sistemas físicos. Desde os trabalhos pioneiros de D. Thouless, F. D. M. Haldane e J. Kosterlitz, laureados com o Prêmio Nobel em 2016, a busca por estados da matéria cuja descrição completa requer o uso de ferramentas matemáticas conhecidas como invariantes topológicos (daí o nome de fases topológicas), tem tem sido um tema amplamente investigado. Os enormes avanços no campo incluem a classificação de isolantes e supercondutores topológicos, bem como a exploração da interação entre simetria e topologia. Muito do interesse também vem do papel fundamental que essas fases devem desempenhar no desenvolvimento de tecnologias quânticas emergentes, desde a modelagem de novas gerações de dispositivos elétricos e supercondutores, até o desenvolvimento de máquinas quânticas eficientes e estáveis com poder computacional sem precedentes, também conhecidos como computadores quânticos.
Fenômenos coletivos são onipresentes em nosso mundo e aparecem em todas as escalas de energia, desde a cosmologia e a física de alta energia até a matéria condensada. As fases topológicas da matéria são um exemplo interessante de efeitos coletivos quânticos exibidos em sistemas físicos. Desde os trabalhos pioneiros de D. Thouless, F. D. M. Haldane e J. Kosterlitz, laureados com o Prêmio Nobel em 2016, a busca por estados da matéria cuja descrição completa requer o uso de ferramentas matemáticas conhecidas como invariantes topológicos (daí o nome de fases topológicas), tem tem sido um tema amplamente investigado. Os enormes avanços no campo incluem a classificação de isolantes e supercondutores topológicos, bem como a exploração da interação entre simetria e topologia. Muito do interesse também vem do papel fundamental que essas fases devem desempenhar no desenvolvimento de tecnologias quânticas emergentes, desde a modelagem de novas gerações de dispositivos elétricos e supercondutores, até o desenvolvimento de máquinas quânticas eficientes e estáveis com poder computacional sem precedentes, também conhecidos como computadores quânticos.
Os supercondutores topológicos, em especial, atraíram enorme atenção devido aos seus modos exóticos de energia zero não-abelianos, também conhecidos como quasipartículas de Majorana, que se localizam em seus limites e desempenham um papel fundamental em vários protocolos robustos de informação quântica. Recentemente, os cientistas também identificaram sistemas interativos que hospedam uma quasipartícula ainda mais exótica, chamada parafermion. Os parafermions generalizam os férmions de Majorana e sua aplicação em tecnologias quânticas superam várias limitações dos férmions de Majorana. A busca e a compreensão adequada das propriedades fundamentais de tais quase-partículas continua sendo um desafio empolgante sob trabalho muito ativo e intenso pela comunidade científica.
Figura: (painel superior esquerdo) Esboço de um supercondutor com quasi-particulas Majorana localizadas em suas bordas. (painel inferior esquerdo) Realização do supercondutor usando átomos ultrafrios em redes óticas, conforme estrutura de níveis esquematizada no painel direito.
Referências selecionadas:
Fernando Iemini, Leonardo Mazza, Davide Rossini, Rosario Fazio and Sebastian Diehl, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 115, 156402 (2015).
F. Iemini, L. Mazza, L. Fallani, P. Zoller, R. Fazio, and M. Dalmonte, PHYSICAL REVIEW LETTERS, PRL 118, 200404 (2017).
Fernando Iemini, Christophe Mora, and Leonardo Mazza, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 118, 170402 (2017).
Leonardo Mazza, Fernando Iemini, Marcello Dalmonte, and Christophe Mora, PHYSICAL REVIEW B 98, 201109(R) (2018)