Los fermiones de Majorana son partículas que potencialmente podrían usarse como unidades de información para una computadora cuántica. Un experimento realizado por físicos del Instituto Suizo de Nanociencia y el Departamento de Física de la Universidad de Basilea ha confirmado su teoría de que los fermiones de Majorana se pueden generar y medir en un superconductor al final de cables hechos de átomos de hierro individuales. Los investigadores también lograron observar las propiedades de las olas de Majoranas y, por lo tanto, en hacer visible por primera vez el interior de una Majorana. Los resultados fueron publicados en la revista npj Información cuántica .

Hace unos 75 años, El físico italiano Ettore Majorana planteó la hipótesis de la existencia de partículas exóticas que son sus propias antipartículas. Desde entonces, interés en estas partículas, conocidos como fermiones de Majorana, ha crecido enormemente dado que podrían desempeñar un papel en la creación de una computadora cuántica. Las majoranas ya se han descrito muy bien en teoría. Sin embargo, examinarlos y obtener evidencia experimental es difícil porque tienen que ocurrir en pares, pero luego generalmente están ligados para formar un electrón normal. Por lo tanto, se requieren combinaciones y arreglos ingeniosos de varios materiales para generar dos Majoranas y mantenerlos separados.

Colaboración entre teoría y práctica

El grupo dirigido por el profesor Ernst Meyer ahora ha utilizado predicciones y cálculos de los físicos teóricos, la profesora Jelena Klinovaja y el profesor Daniel Loss (del Instituto Suizo de Nanociencia y del Departamento de Física de la Universidad de Basilea) para medir experimentalmente estados que corresponden a Majoranas. En un superconductor, los investigadores evaporaron átomos de hierro individuales con un giro que, debido a la estructura de filas de los átomos de plomo, se organizan en un diminuto cable que comprende una fila de átomos individuales. Los cables alcanzaron una asombrosa longitud de hasta 70 nanómetros.

Majoranas individuales en los extremos

Los investigadores examinaron estas cadenas monoatómicas con la ayuda de microscopía de túnel de barrido y, por primera vez, también con un microscopio de fuerza atómica. Usando las imágenes y medidas, encontraron indicios claros de la existencia de fermiones únicos de Majorana en los extremos de los cables bajo ciertas condiciones y a partir de una longitud de cable específica.

A pesar de la distancia entre ellos, las dos Majoranas en los extremos de los cables todavía están conectadas. Juntos, forman un nuevo estado extendido a lo largo de todo el cable que puede estar ocupado ("1") o no ocupado ("0") por un electrón. Esta propiedad binaria puede servir como base para un bit cuántico (Qubit) y significa que Majoranas, que también son muy resistentes frente a una serie de influencias ambientales, son candidatos prometedores para la creación de una futura computadora cuántica.

Función de onda prevista medida

Los investigadores de Basilea no solo han demostrado que se pueden generar y medir Majoranas individuales en los extremos de un alambre de hierro, También realizaron el primer experimento para mostrar que las Majoranas son objetos cuánticos extendidos con una estructura interna, como predijeron sus colegas teóricos. Sobre un área de varios nanómetros, las mediciones mostraron la función de onda esperada con oscilaciones características y longitudes de decaimiento dobles, que ahora se han hecho visibles por primera vez.