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Nanodispositivo termoelétrico baseado em férmions de Majorana é proposto

Partícula que teria a si mesma como antipartícula é objeto de trabalho teórico de pesquisadores brasileiros com resultados publicados na Scientific Reports

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo

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IMAGE: O dispositivo é constituído por um ponto quântico (quantum dot ou QD, representado pelo símbolo Îμ1), ou seja, por um átomo artificial, situado entre dois contatos metálicos em temperaturas diferentes.... view more 

Credit: Arquivo do pesquisador

Em março de 1938, o jovem físico Ettore Majorana desapareceu misteriosamente, em caso que abalou a comunidade científica italiana. O episódio - que em 1975 virou livro, Majorana Desapareceu, de Leonardo Sciascia, e permanece até hoje sem explicação - ocorreu no ano seguinte ao da principal contribuição de Majorana à ciência.

Em 1937, com apenas 30 anos, Majorana - que seu orientador Enrico Fermi comparou em genialidade a Isaac Newton - apresentou a hipótese de uma partícula que teria a si mesma como antipartícula. E sugeriu que o neutrino, recém-postulado por Fermi e Wolfgang Pauli, poderia ser essa partícula.

Oito décadas depois os chamados férmions de Majorana, ou simplesmente majoranas, constituem um dos objetos mais estudados da Física. Além dos neutrinos - cuja natureza, como majoranas ou não, é um dos alvos do megaexperimento Dune - uma outra classe, não de partículas fundamentais, mas de quasipartículas ou partículas aparentes, tem sido investigada no domínio da matéria condensada. Essas quasipartículas de majoranas podem emergir como excitações em supercondutores topológicos.

Um novo estudo na área, conduzido pelo doutorando Luciano Henrique Siliano Ricco - com Bolsa da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) -, seu orientador Antonio Carlos Ferreira Seridonio e associados, foi realizado no campus de Ilha Solteira da Universidade Estadual Paulista (Unesp), Brasil. E foi objeto de artigo na Scientific Reports, da Nature.

"Propusemos, teoricamente, um dispositivo que atua como sintonizador termoelétrico, isto é, um sintonizador de calor e carga, assistido por férmions de Majorana", disse Seridonio

O dispositivo referido é constituído por um ponto quântico (quantum dot ou QD - na Figura A representado pelo símbolo ε1), ou seja, por um átomo artificial, situado, no caso, entre dois contatos metálicos em temperaturas diferentes.

A diferença de temperatura é fundamental para que possa ocorrer condução de energia térmica através do ponto quântico. Um fio supercondutor quase unidimensional, o chamado fio de Kitaev - em homenagem ao seu proponente, o físico russo Alexei Kitaev, atualmente professor do California Institute of Technology (Caltech), nos Estados Unidos -, é conectado ao átomo artificial.

O fio de Kitaev, que no presente trabalho possui a forma de um anel, ou de um "U", hospeda dois majoranas (η1 and η2) em suas extremidades. Tais majoranas emergem como excitações caracterizadas por modos de energia zero.

"Quando o ponto quântico é acoplado apenas a um dos lados do fio, o sistema passa a ter um comportamento ressonante em relação às condutâncias elétrica e térmica. Ou seja, passa a se comportar como um filtro termoelétrico", disse o pesquisador responsável da bolsa FAPESP.

"É importante ressaltar que esse comportamento de filtro de energia térmica e de energia elétrica ocorre quando os dois majoranas se enxergam, por meio do fio, mas apenas um deles enxerga o ponto quântico, na conexão", acrescentou.

Outra possibilidade investigada pelos pesquisadores foi fazer o ponto quântico enxergar os dois majoranas ao mesmo tempo, conectando ambas as pontas do fio de Kitaev ao átomo artificial.

"Fazendo o QD enxergar mais η1 ou mais η2, isto é, variando a assimetria do sistema, é possível utilizar o átomo artificial como um sintonizador, com a energia, térmica ou elétrica, que transita por ele sendo desviada para o vermelho [redshift] ou para o azul [blueshift]", disse Seridonio (confira Figura B para uma explanação ilustrativa).

Segundo o pesquisador, a expectativa é que esse trabalho teórico possa contribuir para o desenvolvimento de dispositivos termoelétricos baseados em férmions de Majorana.

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Sobre a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

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