Elétron se divide e torna-se fração de si mesmo no grafeno

Apesar de o elétron ser comumente descrito como a menor unidade de carga elétrica, portando uma carga negativa única, a realidade revela nuances mais complexas. Em estados muito específicos da matéria, os elétrons podem se fragmentar em frações de sua totalidade, desafiando a concepção tradicional de partículas elementares.

Este fenômeno, conhecido como “carga fracionária”, é excepcionalmente raro. Caso seja possível isolar e controlar esse estado eletrônico exótico, ele poderá desempenhar um papel crucial na construção de computadores quânticos resilientes a interferências e capazes de tolerar falhas.

Os físicos denominam esse fenômeno como “efeito Hall quântico fracionário”, observado predominantemente em condições de campos magnéticos extremamente elevados e estáveis. Recentemente, essa peculiaridade também foi identificada em um material (MoTe2), sem a necessidade de manipulações magnéticas tão intensas.

A equipe liderada por Zhengguang Lu, do MIT nos EUA, conseguiu observar o fenômeno da carga fracionária em um material mais simples: cinco camadas de grafeno superpostas. O grafeno consiste em camadas de carbono com a espessura de um átomo, formando uma única folha de grafite.

Quando exatamente cinco folhas de grafeno são empilhadas como degraus de uma escada, a estrutura resultante cria as condições ideais para que os elétrons se movam como frações de sua carga total, sem a necessidade de um campo magnético externo. Este é o primeiro registro do “efeito Hall quântico anômalo fracionário” (o termo “anômalo” refere-se à ausência de campo magnético) no grafeno cristalino, um material no qual os físicos não antecipavam a presença desse efeito.

O professor Long Ju destacou a importância desse achado para a física fundamental, afirmando que a carga fracionária é extremamente exótica, e agora foi observada em um sistema mais simples e sem a influência de um campo magnético externo. Isso não apenas é significativo para a compreensão fundamental da física, mas também pode abrir caminho para a possibilidade de uma forma mais resistente de computação quântica contra perturbações.

Topologia e os elétrons

A computação quântica topológica se baseia em fenômenos como o efeito Hall quântico fracionário, onde partículas deixam de se comportar como entidades individuais e passam a agir de maneira coletiva. Esse comportamento “correlacionado” emerge em estados especiais, quando as partículas desaceleram, permitindo interações significativas entre elas.

A obtenção da carga fracionária do elétron sem depender de um campo magnético oferece perspectivas promissoras para a computação quântica topológica. Nesse paradigma, a topologia fornece uma camada adicional de proteção aos qubits, tornando a computação mais segura diante de deformações ou perturbações, uma propriedade que rendeu o Prêmio Nobel de Física de 2016.

Essa abordagem combina o efeito Hall quântico fracionário com um supercondutor. Até recentemente, essa combinação era inviável, pois o forte campo magnético necessário para obter a carga fracionária destruía a supercondutividade. No entanto, as cargas fracionárias obtidas em materiais como o ditelureto de molibdênio ou em cinco camadas de grafeno agora podem funcionar como qubits topológicos, abrindo novas possibilidades para a computação quântica mais robusta.

De acordo com Nature.

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