Nanodispositivo termoelétrico é baseado em férmions de Majorana

Trabalho teórico sobre partícula que teria a si mesma como antipartícula foi desenvolvido por pesquisadores da Unesp e publicado na Scientific Reports.

José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – 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 FAPESP –, seu orientador Antonio Carlos Ferreira Seridonio e associados, foi realizado no campus de Ilha Solteira da Universidade Estadual Paulista (Unesp). 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 à Agência FAPESP.

O dispositivo referido é constituído por um ponto quântico (quantum dot ou QD – na figura abaixo 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 e η2] em suas extremidades. Tais majoranas emergem como excitações caracterizadas por modos de energia zero.

Tal mecanismo, que decorre da topologia do sistema, já foi referido em reportagem anterior da Agência FAPESP.

“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 Seridonio.

“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.

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

O artigo Tuning of heat and charge transport by Majorana fermions (doi:10.1038/s41598-018-21180-9), de L. S. Ricco, F. A. Dessotti, I. A. Shelykh, M. S. Figueira e A. C. Seridonio, pode ser lido em www.nature.com/articles/s41598-018-21180-9.