Investigadores de la Universidad de Princeton han detectado una propiedad cuántica única de una partícula elusiva notable por comportarse simultáneamente como materia y antimateria. La partícula conocido como el fermión de Majorana, es apreciado por los investigadores por su potencial para abrir las puertas a nuevas posibilidades de computación cuántica.

En el estudio publicado esta semana en la revista Ciencias , el equipo de investigación describió cómo mejoraron una técnica de imagen existente, llamado microscopía de túnel de barrido, para capturar señales de la partícula de Majorana en ambos extremos de un alambre de hierro atómicamente delgado estirado en la superficie de un cristal de plomo. Su método consistía en detectar una propiedad cuántica distintiva conocida como espín, que se ha propuesto para transmitir información cuántica en circuitos que contienen la partícula Majorana.

"La propiedad de espín de las Majoranas las distingue de otros tipos de cuasi-partículas que emergen en los materiales, "dijo Ali Yazdani, Profesor de Física de la Clase de Princeton de 1909. "La detección experimental de esta propiedad proporciona una firma única de esta partícula exótica".

El hallazgo se basa en el descubrimiento del equipo en 2014, también publicado en Ciencias , del fermión de Majorana en una cadena de átomos de hierro de un solo átomo de ancho sobre un sustrato de plomo. En ese estudio, el microscopio de barrido de túnel se utilizó para visualizar Majoranas por primera vez, pero no proporcionó otras medidas de sus propiedades.

"Nuestro objetivo ha sido sondear algunas de las propiedades cuánticas específicas de las Majoranas. Tales experimentos proporcionan no solo una confirmación adicional de su existencia en nuestras cadenas, pero abre posibles formas de usarlos ", dijo Yazdani.

Teorizado por primera vez a finales de la década de 1930 por el físico italiano Ettore Majorana, la partícula es fascinante porque actúa como su propia antipartícula. En los últimos años, Los científicos se han dado cuenta de que pueden diseñar cables unidimensionales, como las cadenas de átomos en la superficie superconductora en el estudio actual, para hacer emerger los fermiones de Majorana en sólidos. En estos cables Las majoranas ocurren como pares en cada extremo de las cadenas, siempre que las cadenas sean lo suficientemente largas para que los Majoranas se mantengan lo suficientemente separados para que no se aniquilen entre sí. En un sistema de computación cuántica, la información podría almacenarse simultáneamente en ambos extremos del cable, proporcionando una robustez contra las interrupciones externas a los estados cuánticos inherentemente frágiles.

Los esfuerzos experimentales previos para detectar Majoranas han utilizado el hecho de que es una partícula y una antipartícula. La firma reveladora se denomina pico de polarización cero en una medición de túnel cuántico. Pero los estudios han demostrado que tales señales también podrían ocurrir debido a un par de cuasipartículas ordinarias que pueden emerger en superconductores. El profesor de Física Andrei Bernevig y su equipo, quien con el grupo de Yazdani propuso la plataforma de la cadena atómica, desarrolló la teoría que demostró que las mediciones de espín polarizado realizadas con un microscopio de túnel de barrido pueden distinguir entre la presencia de un par de cuasi-partículas ordinarias y una Majorana.

Típicamente, La microscopía de túnel de barrido (STM) implica arrastrar un electrodo de punta fina sobre una estructura, en este caso la cadena de átomos de hierro, y detectando sus propiedades electrónicas, a partir del cual se puede construir una imagen. Para realizar mediciones sensibles al giro, los investigadores crean electrodos que se magnetizan en diferentes orientaciones. Estas mediciones STM "spin-polarizadas" revelaron firmas que concuerdan con los cálculos teóricos de Bernevig y su equipo.

"Resulta que, a diferencia del caso de una cuasi-partícula convencional, el giro del Majorana no puede ser ocultado por el fondo. En este sentido es una prueba de fuego para la presencia del estado Majorana, ", Dijo Bernevig.

La propiedad de espín cuántico de Majorana también puede hacerlos más útiles para aplicaciones en información cuántica. Por ejemplo, Los cables con Majoranas en cada extremo se pueden usar para transferir información entre bits cuánticos lejanos que dependen del giro de los electrones. El entrelazamiento de los espines de electrones y Majoranas puede ser el siguiente paso para aprovechar sus propiedades para la transferencia de información cuántica.