La dispersión de neutrones ha revelado con un detalle sin precedentes nuevos conocimientos sobre el exótico comportamiento magnético de un material que, con un entendimiento más completo, podría allanar el camino para los cálculos cuánticos mucho más allá de los límites de los unos y los ceros del código binario de una computadora.

Un equipo de investigación dirigido por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía ha confirmado firmas magnéticas probablemente relacionadas con los fermiones de Majorana, partículas elusivas que podrían ser la base de un bit cuántico. o qubit, en un material bidimensional similar al grafeno, tricloruro de alfa-rutenio. Los resultados, publicado en la revista Ciencias , verificar y extender un 2016 Materiales de la naturaleza estudio en el que el equipo de investigadores de ORNL, Universidad de Tennessee, El Instituto Max Planck y la Universidad de Cambridge propusieron por primera vez este comportamiento inusual en el material.

"Esta investigación es una promesa cumplida, "dijo el autor principal Arnab Banerjee, investigador postdoctoral en ORNL. "Antes, sugerimos que este compuesto, tricloruro de alfa-rutenio, mostró la física de los fermiones de Majorana, pero el material que usamos era un polvo y oscurecía muchos detalles importantes. Ahora, estamos viendo un gran monocristal que confirma que el espectro magnético inusual es consistente con la idea de los fermiones magnéticos de Majorana ".

Los fermiones de Majorana fueron teorizados en 1937 por el físico Ettore Majorana. Son únicos en eso, a diferencia de los electrones y protones cuyas antipartículas son el positrón y el antiprotón, partículas con cargas iguales pero opuestas, Los fermiones de Majorana son su propia antipartícula y no tienen ningún cargo.

En 2006, El físico Alexei Kitaev desarrolló un modelo teórico con solución que describe cómo se podrían lograr cálculos cuánticos protegidos topológicamente en un material utilizando líquidos de espín cuántico. o QSL. Los QSL son estados extraños que se logran en materiales sólidos donde los momentos magnéticos, o "giros, "asociados con los electrones exhiben un comportamiento fluido.

"Nuestras mediciones de dispersión de neutrones nos muestran firmas claras de excitaciones magnéticas que se parecen mucho al modelo de Kitaev QSL, "dijo el autor correspondiente Steve Nagler, director de la División de Materia Condensada Cuántica de ORNL. "Las mejoras en las nuevas mediciones son como mirar a Saturno a través de un telescopio y descubrir los anillos por primera vez".

Debido a que los neutrones son imanes microscópicos que no llevan carga, se pueden usar para interactuar y excitar otras partículas magnéticas en el sistema sin comprometer la integridad de la estructura atómica del material. Los neutrones pueden medir el espectro magnético de excitaciones, revelando cómo se comportan las partículas. El equipo enfrió el material a temperaturas cercanas al cero absoluto (alrededor de menos 450 grados Fahrenheit) para permitir una observación directa de movimientos puramente cuánticos.

El uso del instrumento SEQUOIA en la fuente de neutrones de espalación de ORNL permitió a los investigadores trazar una imagen de los movimientos magnéticos del cristal tanto en el espacio como en el tiempo.

"Podemos ver el espectro magnético manifestándose en la forma de una estrella de seis puntas y cómo refleja el entramado de panal subyacente del material, ", dijo Banerjee." Si podemos entender estas excitaciones magnéticas en detalle, entonces estaremos un paso más cerca de encontrar un material que nos permita perseguir el último sueño de los cálculos cuánticos ".

Banerjee y sus colegas están realizando experimentos adicionales con campos magnéticos aplicados y presiones variables.

"Hemos aplicado una técnica de medición muy poderosa para obtener estas exquisitas visualizaciones que nos permiten ver directamente la naturaleza cuántica del material, "dijo el coautor Alan Tennant, científico jefe de la Dirección de Ciencias de Neutrones de ORNL. "Parte del entusiasmo de los experimentos es que están liderando la teoría. Estamos viendo estas cosas, y sabemos que son reales ".