En el último experimento de este tipo, Los investigadores han capturado la evidencia más convincente hasta la fecha de que las partículas inusuales acechan dentro de un tipo especial de superconductor. El resultado, que confirma las predicciones teóricas hechas por primera vez hace casi una década en el Joint Quantum Institute (JQI) y la Universidad de Maryland (UMD), se publicará en la edición del 5 de abril de Naturaleza .

Los polizones, denominadas cuasipartículas de Majorana, son diferentes de la materia ordinaria como los electrones o los quarks, la materia que forma los elementos de la tabla periódica. A diferencia de esas partículas, que, hasta donde saben los físicos, no se puede dividir en piezas más básicas, Las cuasipartículas de Majorana surgen de patrones coordinados de muchos átomos y electrones y solo aparecen en condiciones especiales. Están dotados de características únicas que pueden permitirles formar la columna vertebral de un tipo de computadora cuántica, y los investigadores los han estado persiguiendo durante años.

El último resultado es el más tentador hasta ahora para los cazadores de Majorana, confirmando muchas predicciones teóricas y sentando las bases para experimentos más refinados en el futuro. En el nuevo trabajo Los investigadores midieron la corriente eléctrica que pasa a través de un semiconductor ultrafino conectado a una tira de aluminio superconductor, una receta que transforma toda la combinación en un tipo especial de superconductor.

Los experimentos de este tipo exponen el nanoalambre a un imán fuerte, lo que desbloquea una forma adicional para que los electrones en el cable se organicen a bajas temperaturas. Con esta disposición adicional, se predice que el cable albergará una cuasipartícula de Majorana, y los experimentadores pueden buscar su presencia midiendo cuidadosamente la respuesta eléctrica del cable.

El nuevo experimento fue realizado por investigadores de QuTech en la Universidad Técnica de Delft en los Países Bajos y Microsoft Research. con muestras del material híbrido preparado en la Universidad de California, Santa Bárbara y la Universidad Tecnológica de Eindhoven en los Países Bajos. Los experimentadores compararon sus resultados con los cálculos teóricos del becario de JQI Sankar Das Sarma y el estudiante graduado de JQI Chun-Xiao Liu.

El mismo grupo en Delft vio indicios de una Majorana en 2012, pero el efecto eléctrico medido no fue tan grande como había predicho la teoría. Ahora se ha observado el efecto completo, y persiste incluso cuando los experimentadores agitan la fuerza de los campos magnéticos o eléctricos, una robustez que proporciona una evidencia aún más fuerte de que el experimento ha capturado un Majorana, como predijo Liu en cuidadosas simulaciones teóricas.

"Hemos recorrido un largo camino desde la receta teórica de 2010 sobre cómo crear partículas de Majorana en sistemas híbridos semiconductores-superconductores, "dice Das Sarma, un coautor del artículo que también es el director del Centro de Teoría de la Materia Condensada en la UMD. "Pero aún queda camino por recorrer antes de que podamos declarar la victoria total en nuestra búsqueda de estas extrañas partículas".

El éxito llega después de años de refinamientos en la forma en que los investigadores ensamblan los nanocables, lo que conduce a un contacto más limpio entre el cable semiconductor y la tira de aluminio. Durante el mismo tiempo, Los teóricos se han percatado de las posibles firmas experimentales de Majoranas, trabajo que fue pionero en Das Sarma y varios colaboradores de la UMD.

La teoría se encuentra con el experimento

La búsqueda para encontrar cuasipartículas de Majorana en alambres cuánticos delgados comenzó en 2001, estimulado por Alexei Kitaev, luego físico y luego en Microsoft Research. Kitaev, que ahora está en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena, inventó un sistema relativamente simple pero poco realista que teóricamente podría albergar una Majorana. Pero este cable imaginario requería un tipo específico de superconductividad no disponible en la naturaleza. y otros pronto comenzaron a buscar formas de imitar el artilugio de Kitaev mezclando y combinando materiales disponibles.

Un desafío fue descubrir cómo obtener superconductores, que normalmente se ocupan de sus asuntos con un número par de electrones:dos, cuatro seis, etc., para permitir también un número impar de electrones, una situación que normalmente es inestable y requiere energía extra para mantenerla. El número impar es necesario porque las cuasipartículas de Majorana son bichos raros descarados:solo aparecen en el comportamiento coordinado de un número impar de electrones.

En 2010, casi una década después del artículo original de Kitaev, Das Sarma, JQI Fellow Jay Deep Sau e investigador postdoctoral de JQI Roman Lutchyn, junto con un segundo grupo de investigadores, descubrió un método para crear estos superconductores especiales, y ha impulsado la búsqueda experimental desde entonces. Sugirieron combinar un cierto tipo de semiconductor con un superconductor ordinario y medir la corriente a través de todo. Ellos predijeron que la combinación de los dos materiales, junto con un fuerte campo magnético, desbloquearía el arreglo de Majorana y produciría el material especial de Kitaev.

También predijeron que un Majorana podría revelarse en la forma en que la corriente fluye a través de dicho nanoalambre. Si conecta un semiconductor ordinario a un cable metálico y una batería, los electrones suelen tener alguna posibilidad de saltar del cable al semiconductor y de ser rechazados; los detalles dependen de los electrones y de la composición del material. Pero si en cambio usa uno de los nanocables de Kitaev, sucede algo completamente diferente. El electrón siempre se refleja perfectamente en el cable, pero ya no es un electrón. Se convierte en lo que los científicos llaman un agujero, básicamente un punto en el metal al que le falta un electrón, y lleva una carga positiva en la dirección opuesta.

La física exige que se conserve la corriente a través de la interfaz, lo que significa que dos electrones deben terminar en el superconductor para equilibrar la carga positiva que se dirige en la otra dirección. Lo extraño es que este proceso, que los físicos llaman perfecta reflexión de Andreev, ocurre incluso cuando los electrones en el metal no reciben ningún empuje hacia el límite, es decir, incluso cuando no están conectados a un tipo de batería. Esto está relacionado con el hecho de que una Majorana es su propia antipartícula, lo que significa que no cuesta nada de energía crear un par de Majoranas en el nanoalambre. La disposición de Majorana da a los dos electrones un espacio adicional para maniobrar y les permite atravesar el nanoalambre como un par cuantificado, es decir, exactamente dos a la vez.

"Es la existencia de Majoranas lo que da lugar a esta conductancia diferencial cuantificada, "dice Liu, que realizó simulaciones numéricas para predecir los resultados de los experimentos en el grupo de supercomputadoras Deepthought2 de UMD. "Y tal cuantificación debería ser incluso robusta a pequeños cambios en los parámetros experimentales, como muestra el experimento real ".

Los científicos se refieren a este estilo de experimento como espectroscopia de efecto túnel porque los electrones están tomando una ruta cuántica a través del nanoalambre hacia el otro lado. Ha sido el foco de esfuerzos recientes para capturar Majoranas, pero hay otras pruebas que podrían revelar más directamente las propiedades exóticas de las partículas, pruebas que confirmarían plenamente que las Majoranas están realmente allí.

"Este experimento es un gran paso adelante en nuestra búsqueda de estas exóticas y escurridizas partículas de Majorana, mostrando el gran avance realizado en la mejora de materiales durante los últimos cinco años, "Das Sarma dice." Estoy convencido de que estas partículas extrañas existen en estos nanocables, pero sólo una medición no local que establezca la física subyacente puede hacer que la evidencia sea definitiva ".