La combinación de diferentes fases del agua:hielo sólido, Agua líquida, y vapor de agua — requeriría algún esfuerzo para lograrlo experimentalmente. Por ejemplo, si quisieras colocar hielo junto al vapor, tendría que enfriar continuamente el agua para mantener la fase sólida mientras la calienta para mantener la fase gaseosa.

Para los físicos de la materia condensada, esta capacidad para crear diferentes condiciones en el mismo sistema es deseable porque a menudo surgen fenómenos y propiedades interesantes en las interfaces entre dos fases. De interés actual son las condiciones bajo las cuales los fermiones de Majorana pueden aparecer cerca de estos límites.

Los fermiones de Majorana son excitaciones en forma de partículas llamadas cuasipartículas que surgen como resultado de la fraccionalización (división) de electrones individuales en dos mitades. En otras palabras, un electrón se convierte en un par entrelazado (enlazado) de dos cuasipartículas de Majorana, con el enlace persistiendo independientemente de la distancia entre ellos. Los científicos esperan usar fermiones de Majorana que están físicamente separados en un material para almacenar información de manera confiable en forma de qubits, los componentes básicos de las computadoras cuánticas. Las exóticas propiedades de las Majoranas, incluida su alta insensibilidad a los campos electromagnéticos y otros "ruidos" ambientales, las convierten en candidatas ideales para transportar información a largas distancias sin pérdida.

Sin embargo, hasta la fecha, Los fermiones de Majorana solo se han realizado en materiales en condiciones extremas, incluso a temperaturas gélidas cercanas al cero absoluto (-459 grados Fahrenheit) y bajo campos magnéticos altos. Y aunque están "topológicamente" protegidos de las impurezas atómicas locales, trastorno, y defectos que están presentes en todos los materiales (es decir, sus propiedades espaciales siguen siendo las mismas incluso si el material está doblado, retorcido, estirado, o distorsionado de otra manera), no sobreviven bajo fuertes perturbaciones. Además, el rango de temperaturas en el que pueden operar es muy estrecho. Por estas razones, Los fermiones de Majorana aún no están listos para la aplicación tecnológica práctica.

Ahora, un equipo de físicos dirigido por el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y que incluye colaboradores de China, Alemania, y los Países Bajos han propuesto un método teórico novedoso para producir fermiones de Majorana más robustos. Según sus cálculos, como se describe en un artículo publicado el 15 de enero en Cartas de revisión física , estas Majoranas emergen a temperaturas más altas (en muchos órdenes de magnitud) y en gran parte no se ven afectadas por el desorden y el ruido. Aunque no están protegidos topológicamente, pueden persistir si las perturbaciones cambian lentamente de un punto a otro en el espacio.

"Nuestros cálculos numéricos y analíticos proporcionan evidencia de que los fermiones de Majorana existen en los límites de materiales magnéticos con diferentes fases magnéticas, o direcciones de espines de electrones, colocados uno al lado del otro, "dijo el coautor Alexei Tsvelik, científico senior y líder del Grupo de Teoría de la Materia Condensada en el Departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencia de los Materiales (CMPMS) de Brookhaven Lab. "También determinamos la cantidad de fermiones de Majorana que debe esperar obtener si combina ciertas fases magnéticas".

Para su estudio teórico, los científicos se centraron en materiales magnéticos llamados escaleras giratorias, que son cristales formados por átomos con una estructura tridimensional (3-D) subdividida en pares de cadenas que parecen escaleras. Aunque los científicos han estado estudiando las propiedades de los sistemas de escalera de espín durante muchos años y esperaban que produjeran fermiones de Majorana, no sabían cuántos. Para realizar sus cálculos, aplicaron el marco matemático de la teoría cuántica de campos para describir la física fundamental de las partículas elementales, y un método numérico (grupo de renormalización de matriz de densidad) para simular sistemas cuánticos cuyos electrones se comportan de forma fuertemente correlacionada.

"Nos sorprendió saber que para ciertas configuraciones de fases magnéticas podemos generar más de un fermión de Majorana en cada límite, ", dijo el coautor y presidente del departamento de CMPMS, Robert Konik.

Para que los fermiones de Majorana sean prácticamente útiles en la computación cuántica, necesitan generarse en grandes cantidades. Los expertos en informática creen que el umbral mínimo en el que las computadoras cuánticas podrán resolver problemas que las computadoras clásicas no pueden es de 100 qubits. Los fermiones de Majorana también deben poder moverse de tal manera que puedan enredarse.

El equipo planea hacer un seguimiento de su estudio teórico con experimentos que utilicen sistemas diseñados como puntos cuánticos (partículas semiconductoras de tamaño nanométrico) o iones atrapados (confinados). En comparación con las propiedades de los materiales reales, los de ingeniería se pueden ajustar y manipular más fácilmente para introducir los diferentes límites de fase donde pueden surgir los fermiones de Majorana.

"De qué estará hecha la próxima generación de computadoras cuánticas no está claro en este momento, ", dijo Konik." Estamos tratando de encontrar mejores alternativas a los superconductores de baja temperatura de la generación actual, similar a cómo el silicio reemplazó al germanio en los transistores. Estamos en etapas tan tempranas que necesitamos explorar todas las posibilidades disponibles ".