Un material de baja temperatura hecho de los elementos praseodimio, osmio, y el antimonio debe poder albergar partículas subatómicas conocidas como fermiones de Majorana, Los investigadores del MIT lo han demostrado en un análisis teórico.

Fermiones de Majorana, predicho por primera vez por los físicos en 1937, se puede pensar en electrones divididos en dos partes, cada uno de los cuales se comporta como partículas independientes. Estos fermiones no existen como partículas elementales en la naturaleza, pero pueden emerger en ciertos materiales superconductores cerca de la temperatura del cero absoluto. En materiales superconductores, los electrones fluyen sin resistencia y generan poco o ningún calor.

El nuevo análisis del estudiante de posgrado Vladyslav Kozii, postdoctorado Jörn Venderbos, y Lawrence C. (1944) y Sarah W. Biedenharn El profesor asistente de desarrollo profesional Liang Fu predice que este estado especial debería ocurrir en un praseodimio, compuesto de osmio y antimonio, PrOs ₄ Sb ₁₂ , y materiales similares hechos de metales pesados.

Los físicos describen los electrones por su energía, impulso, y girar. Un electrón puede ocupar un posible nivel de energía, y un nivel desocupado se llama hoyo. En el nuevo análisis, Los fermiones de Majorana emergen como una superposición cuántica de un electrón y un agujero que se mueven libremente, teniendo cada uno la misma dirección, o girar. Este espín del fermión de Majorana puede interactuar con el espín de los núcleos atómicos en el material, por lo que debería verse utilizando técnicas de resonancia magnética nuclear, ellos predicen.

"Abordamos una determinada clase de superconductores, muestran que tienen fermiones de Majorana como cuasipartículas que se propagan libremente en la masa, y luego mire cómo se pueden detectar y qué otras propiedades tienen estos materiales que se podrían usar en el futuro para una funcionalidad interesante, ", dice Venderbos." Creo que cierra muy bien la brecha entre el experimento y la teoría y puede ser utilizado por los experimentadores en este momento ". Su artículo fue publicado este mes en la revista. Avances de la ciencia .

Un concepto de física clave en este trabajo es el de la simetría de inversión del tiempo. Tal simetría significa que las ecuaciones de los movimientos que gobiernan un objeto o partícula permanecen iguales si se pudiera invertir la dirección del tiempo, con el tiempo fluyendo hacia atrás en lugar de hacia adelante. Si la ecuación de movimiento de los electrones en un material es diferente cuando el tiempo fluye hacia atrás, como ocurre con los imanes, por ejemplo, entonces se dice que la simetría de inversión del tiempo está rota. Esto les da a los físicos una forma importante de distinguir diferentes materiales. En el superconductor propuesto a base de compuesto de antimonio, El análisis muestra que los fermiones de Majorana solo pueden existir cuando se rompe la simetría de inversión del tiempo. Al invertir el movimiento en el tiempo, el giro de los fermiones de Majorana se invierte, por ejemplo, de sentido horario a antihorario, y esto implica una ecuación de movimiento diferente para los fermiones de Majorana que retroceden en el tiempo. "Respecto al material que propusimos, de hecho, hay un experimento reciente que confirma que la simetría de inversión del tiempo se rompe en el estado superconductor de este material. Esto refuerza nuestra conclusión de que, de hecho, es un candidato muy prometedor para que se aplique nuestra teoría, "Kozii explica.

Los fermiones de Majorana fueron propuestos por primera vez por el físico italiano Ettore Majorana como una solución matemática especial para el comportamiento cuántico de los electrones. Investigadores de la Universidad de Princeton informaron la detección de una realización de dimensión cero de estas partículas al final de una cadena de átomos en octubre de 2014. Los teóricos del MIT ahora muestran que los fermiones de Majorana que se propagan en tres dimensiones que predicen están gobernados por la ecuación original de Majorana. "El extenso estudio que hemos realizado muestra que esta peculiar partícula puede ahora encontrar su realización en la física del estado sólido en un material real, "Dice Venderbos.

Los electrones en materiales como metales y semiconductores pueden llenar solo ciertos niveles de energía, o bandas, con excluidos, o prohibido, niveles de energía denominados bandgap. En un superconductor, esto también se llama brecha superconductora. Ordinariamente, se necesita energía exterior para elevar un electrón de energía más baja a un nivel de energía más alto, especialmente cuando tiene que cruzar una banda prohibida. El análisis del praseodimio de los grupos Fu, osmio, y el antimonio revela que hay algunos puntos especiales en su espectro de excitación electrónica donde la banda prohibida se desvanece en su estado superconductor, lo que significa que son posibles las excitaciones de baja energía. "Sin importar la poca energía que tomes, siempre habrá excitación en esta energía. Estas excitaciones son exactamente estos fermiones de Majorana de los que hablábamos, "Kozii explica. Venderbos agrega, "Hay algunas excitaciones para las que no tienes que poner ninguna energía o solo una cantidad infinitesimalmente pequeña y aún puedes crear la excitación".

Observando que Fu ha hecho "algunas predicciones fantásticas en el pasado, "El profesor de química de la Universidad de Princeton, Robert J. Cava, que no participó en esta investigación, sugiere:"Los experimentales deberían escuchar lo que él tiene que decir ... Estoy muy feliz de ver que él y sus compañeros de trabajo han presentado un análisis de materiales reales en los que sus ideas podrían estar incorporadas".

Kozii, Venderbos, y Fu analizaron estos superconductores no convencionales durante un año. Para Kozii, el trabajo pasará a formar parte de su tesis doctoral.

Los investigadores esperan que su trabajo inspire a los experimentadores a mirar nuevamente algunos materiales estudiados previamente para identificar aquellos que albergan estados superconductores con fermiones de Majorana. "Creo que el primer paso sería simplemente encontrar un material en el que todos puedan estar de acuerdo en que tiene estos fermiones de Majorana. Eso sería realmente emocionante y constituiría el descubrimiento de un nuevo tipo de superconductor en un experimento". ", Dice Venderbos." El siguiente paso sería pensar en la funcionalización de estos materiales, cuáles podrían ser las aplicaciones específicas. "Tratar de hacer dispositivos cuánticos a partir de estos materiales es una posible dirección". Esperamos que esta investigación finalmente traiga más esfuerzos de la comunidad de material cuántico y dispositivos cuánticos para descubrir las muchas facetas de los fermiones de Majorana, "Fu agrega.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.