En 1928, El físico Paul Dirac hizo la asombrosa predicción de que cada partícula fundamental del universo tiene una antipartícula, su gemela idéntica pero con carga opuesta. Cuando la partícula y la antipartícula se encontraran, serían aniquiladas, liberando un poof de energía. Bastante seguro, unos años más tarde, la primera partícula de antimateria, el electrón opuesto, el positrón - fue descubierto, y la antimateria se convirtió rápidamente en parte de la cultura popular.

Pero en 1937, otro físico brillante, Ettore Majorana, introdujo un nuevo giro:predijo que en la clase de partículas conocidas como fermiones, que incluye el protón, neutrón, electrón, neutrino y quark, debe haber partículas que sean sus propias antipartículas.

Ahora, un equipo que incluye a científicos de Stanford dice que ha encontrado la primera evidencia firme de tal fermión de Majorana. Fue descubierto en una serie de experimentos de laboratorio con materiales exóticos en la Universidad de California en colaboración con la Universidad de Stanford. El equipo experimental fue dirigido por el profesor de UCLA Kang Wang, y predicciones teóricas precisas fueron hechas por el grupo del profesor de Stanford Shoucheng Zhang, en colaboración con grupos experimentales dirigidos por el profesor asociado Jing Xia en UC-Irvine y el profesor Kai Liu en UC-Davis. El equipo informó los resultados el 20 de julio en Ciencias .

"Nuestro equipo predijo exactamente dónde encontrar el fermión de Majorana y qué buscar como su firma experimental 'pistola humeante', "dijo Zhang, físico teórico y uno de los autores principales del trabajo de investigación. "Este descubrimiento concluye una de las búsquedas más intensivas en física fundamental, que duró exactamente 80 años ".

Aunque la búsqueda del famoso fermión parece más intelectual que práctica, él agregó, podría tener implicaciones en la vida real para la construcción de computadoras cuánticas robustas, aunque hay que reconocer que esto está muy lejos en el futuro.

El tipo particular de fermión de Majorana que observó el equipo de investigación se conoce como fermión "quiral" porque se mueve a lo largo de una trayectoria unidimensional en una sola dirección. Si bien los experimentos que lo produjeron fueron extremadamente difíciles de concebir, configurar y llevar a cabo, la señal que produjeron fue clara e inequívoca, dijeron los investigadores.

"Esta investigación culmina una persecución durante muchos años para encontrar fermiones quirales de Majorana. Será un hito en el campo, "dijo Tom Devereaux, director del Instituto Stanford de Ciencias de Materiales y Energía (SIMES) en SLAC National Accelerator Laboratory, donde Zhang es un investigador principal.

"Parece ser una observación muy clara de algo nuevo, "dijo Frank Wilczek, un físico teórico y premio Nobel en el Instituto de Tecnología de Massachusetts que no participó en el estudio. "No es fundamentalmente sorprendente, porque los físicos han pensado durante mucho tiempo que los fermiones de Majorana podrían surgir de los tipos de materiales utilizados en este experimento. Pero juntaron varios elementos que nunca antes se habían reunido, y las cosas de ingeniería para que este nuevo tipo de partícula cuántica se pueda observar de forma limpia, forma robusta es un verdadero hito ".

Buscar 'quasiparticles'

La predicción de Majorana se aplicó solo a los fermiones que no tienen carga, como el neutrón y el neutrino. Desde entonces, los científicos han encontrado una antipartícula para el neutrón, pero tienen buenas razones para creer que el neutrino podría ser su propia antipartícula, y hay cuatro experimentos en marcha para averiguarlo, incluido EXO-200, la última encarnación del Observatorio de Xenón Enriquecido, en Nuevo México. Pero estos experimentos son extraordinariamente difíciles y no se espera que produzcan una respuesta hasta dentro de una década.

Hace unos 10 años, Los científicos se dieron cuenta de que los fermiones de Majorana también podrían crearse en experimentos que exploran la física de los materiales, y la carrera estaba en marcha para que eso sucediera.

Lo que han estado buscando son "cuasipartículas":excitaciones en forma de partículas que surgen del comportamiento colectivo de los electrones en materiales superconductores. que conducen la electricidad con una eficiencia del 100 por ciento. El proceso que da lugar a estas cuasipartículas es similar a la forma en que la energía se convierte en partículas "virtuales" de corta duración y de nuevo en energía en el vacío del espacio. según la famosa ecuación de Einstein E =mc2. Si bien las cuasipartículas no son como las partículas que se encuentran en la naturaleza, no obstante, serían considerados verdaderos fermiones de Majorana.

En los últimos cinco años, los científicos han tenido cierto éxito con este enfoque, informando que habían visto firmas de fermiones de Majorana prometedoras en experimentos con nanocables superconductores.

Pero en esos casos, las cuasipartículas estaban "unidas", fijadas a un lugar en particular, en lugar de propagarse en el espacio y el tiempo, y era difícil saber si otros efectos estaban contribuyendo a las señales que vieron los investigadores, Dijo Zhang.

Una 'pistola humeante'

En los últimos experimentos de UCLA, UC-Davis y UC-Irvine, El equipo apiló películas delgadas de dos materiales cuánticos, un superconductor y un aislante topológico magnético, y envió una corriente eléctrica a través de ellos. todo dentro de una cámara de vacío refrigerada.

La película superior era un superconductor. El de abajo era un aislante topológico, que conduce corriente solo a lo largo de su superficie o bordes, pero no a través de su centro. Ponerlos juntos creó un aislante topológico superconductor, donde los electrones se deslizan a lo largo de dos bordes de la superficie del material sin resistencia, como coches en una superautopista.

Fue idea de Zhang modificar el aislante topológico añadiéndole una pequeña cantidad de material magnético. Esto hizo que los electrones fluyeran en un sentido a lo largo de un borde de la superficie y en sentido opuesto a lo largo del borde opuesto.

Luego, los investigadores pasaron un imán sobre la pila. Esto hizo que el flujo de electrones fuera lento, detener y cambiar de dirección. Estos cambios no fueron suaves, pero se llevó a cabo en pasos abruptos, como escaleras idénticas en una escalera.

En ciertos puntos de este ciclo, Surgieron las cuasipartículas de Majorana, surgiendo en pares de la capa superconductora y viajando a lo largo de los bordes del aislante topológico tal como lo hicieron los electrones. Un miembro de cada par fue desviado fuera del camino, permitiendo a los investigadores medir fácilmente el flujo de las cuasipartículas individuales que siguieron avanzando. Como los electrones ellos ralentizaron, se detuvo y cambió de dirección, pero en pasos exactamente la mitad de alto que los que tomaron los electrones.

Estos semitonos eran la prueba irrefutable que los investigadores estaban buscando.

No es probable que los resultados de estos experimentos tengan ningún efecto en los esfuerzos por determinar si el neutrino es su propia antipartícula. dijo el profesor de física de Stanford Giorgio Gratta, quien jugó un papel importante en el diseño y planificación de EXO-200.

"Las cuasipartículas que observaron son esencialmente excitaciones en un material que se comporta como partículas de Majorana, "Dijo Gratta." Pero no son partículas elementales y están hechas de una manera muy artificial con un material muy especialmente preparado. Es muy poco probable que ocurran en el universo, aunque ¿quiénes somos nosotros para decir? Por otra parte, los neutrinos están en todas partes, y si se encuentran partículas de Majorana demostraríamos que la naturaleza no solo ha hecho posible este tipo de partículas sino que, De hecho, literalmente ha llenado el universo con ellos ".

Él agregó, "Donde se vuelve más interesante es que las analogías en física han demostrado ser muy poderosas. E incluso si son bestias muy diferentes, diferentes procesos, tal vez podamos usar uno para entender al otro. Quizás descubramos algo que nos resulte interesante, también."

Partícula de ángel

Lejos en el futuro Zhang dijo:Los fermiones de Majorana podrían usarse para construir computadoras cuánticas robustas que no se vean afectadas por el ruido ambiental. lo que ha sido un gran obstáculo para su desarrollo. Dado que cada Majorana es esencialmente la mitad de una partícula subatómica, un solo qubit de información podría almacenarse en dos fermiones Majorana muy separados, disminuyendo la posibilidad de que algo pueda perturbarlos a ambos a la vez y hacer que pierdan la información que llevan.

Por ahora, sugiere un nombre para el fermión quiral de Majorana que su equipo descubrió:la "partícula de ángel, "en referencia al thriller Angels and Demons del año 2000, en el que una hermandad secreta planea hacer estallar el Vaticano con una bomba de tiempo cuyo poder explosivo proviene de la aniquilación materia-antimateria. A diferencia del libro, El lo notó, en el mundo cuántico del fermión de Majorana solo hay ángeles, no demonios.