Esquema de una unión Josephson bidimensional:un gas de electrones bidimensional conductor normal intercalado entre dos superconductores S (gris). Si se aplica un campo magnético en el plano, Se espera que los fermiones de Majorana aparezcan en los extremos de la región normal. Crédito:Ewelina Hankiewicz
Las partículas de Majorana son miembros muy peculiares de la familia de partículas elementales. Predicho por primera vez en 1937 por el físico italiano Ettore Majorana, estas partículas pertenecen al grupo de los llamados fermiones, un grupo que también incluye electrones, neutrones y protones. Los fermiones de Majorana son eléctricamente neutros y también tienen sus propias antipartículas. Estas partículas exóticas pueden, por ejemplo, emergen como cuasi-partículas en superconductores topológicos y representan bloques de construcción ideales para computadoras cuánticas topológicas.
Yendo a dos dimensiones
En el camino hacia tales computadoras cuánticas topológicas basadas en cuasi-partículas de Majorana, físicos de la Universidad de Würzburg junto con colegas de la Universidad de Harvard (EE. UU.) han dado un paso importante:mientras que los experimentos anteriores en este campo se han centrado principalmente en sistemas unidimensionales, los equipos de Würzburg y Harvard han logrado pasar a sistemas bidimensionales.
En esta colaboración, los grupos de Ewelina Hankiewicz (Theoretische Physik IV) y Laurens Molenkamp (Experimentelle Physik III) de la Universidad de Würzburg se unieron a los grupos de Amir Yacoby y Bertrand Halperin de la Universidad de Harvard. Sus hallazgos se presentan en el número actual de la revista científica. Naturaleza .
Dos superconductores pueden simplificar las cosas
"Darse cuenta de los fermiones de Majorana es uno de los temas más estudiados en la física de la materia condensada, "Dice Ewelina Hankiewicz. Según ella, Las realizaciones anteriores se han centrado generalmente en sistemas unidimensionales como los nanocables. Ella explica que una manipulación de los fermiones de Majorana es muy difícil en estas configuraciones. Por lo tanto, se requerirían esfuerzos significativos para hacer que los fermiones de Majorana en estas configuraciones sean eventualmente aplicables a la computación cuántica.
Para evitar algunas de estas dificultades, los investigadores han estudiado los fermiones de Majorana en un sistema bidimensional con un fuerte acoplamiento espín-órbita. "El sistema que investigamos es la denominada unión Josephson de fase controlada, es decir, dos superconductores que están separados por una región normal, "Laurens Molenkamp explica. La diferencia de fase superconductora entre los dos superconductores proporciona una perilla adicional, lo que hace que un intrincado ajuste fino de los otros parámetros del sistema sea al menos parcialmente innecesario.
Paso importante hacia un mejor control
En el material estudiado, un cuántico de telururo de mercurio bien acoplado a aluminio superconductor de película delgada, los físicos observaron por primera vez una transición de fase topológica que implica la aparición de fermiones de Majorana en uniones Josephson controladas por fase.
La configuración realizada experimentalmente aquí constituye una plataforma versátil para la creación, manipulación y control de fermiones de Majorana, que ofrece varias ventajas en comparación con las plataformas unidimensionales anteriores. Según Hankiewicz, "Este es un paso importante hacia un mejor control de los fermiones de Majorana". La prueba de concepto de un superconductor topológico basado en una unión de Josephson bidimensional abre nuevas posibilidades para la investigación de los fermiones de Majorana en la física de la materia condensada. En particular, Se pueden evitar varias limitaciones de las realizaciones anteriores de los fermiones de Majorana.
Potencial revolución en la tecnología informática
Al mismo tiempo, Un control mejorado de los fermiones de Majorana representa un paso importante hacia las computadoras cuánticas topológicas. Teóricamente tales computadoras pueden ser significativamente más poderosas que las computadoras convencionales. Por tanto, tienen el potencial de revolucionar la tecnología informática.
Próximo, los investigadores planean mejorar las uniones de Josephson y avanzar hacia las uniones con regiones normales más estrechas. Aquí, Se esperan fermiones de Majorana más localizados. Además, estudian las posibilidades adicionales de manipular fermiones de Majorana, por ejemplo, mediante el uso de otros semiconductores.
