Se utilizó un microscopio de barrido de túnel (STM) para visualizar las cuasipartículas de Majorana (picos verdes) que ocurren en los extremos de los canales de borde topológicos (regiones amarillas) en los pasos atómicos de una película delgada de bismuto que creció en una superficie superconductora. Los pequeños grupos magnéticos se ven como pequeñas protuberancias que decoran las esquinas de estos bordes. En las interfaces entre los grupos magnéticos y el canal de borde, experimentos detectaron cuasipartículas robustas de Majorana, pero solo cuando la magnetización del racimo apunta a lo largo del canal. Crédito:Laboratorio Yazdani de la Universidad de Princeton
Tan misterioso como el científico italiano que le da nombre, la partícula de Majorana es una de las misiones más fascinantes de la física.
Su fama proviene de sus extrañas propiedades (es la única partícula que es su propia antipartícula) y de su potencial para ser aprovechado para la futura computación cuántica.
En años recientes, un puñado de grupos, incluido un equipo de Princeton, ha informado de haber encontrado la Majorana en varios materiales, pero el desafío es cómo manipularlo para la computación cuántica.
En un nuevo estudio publicado esta semana, el equipo de Princeton informa sobre una forma de controlar las cuasipartículas de Majorana en un entorno que también las hace más sólidas. El entorno, que combina un superconductor y un material exótico llamado aislante topológico, hace que Majoranas sea especialmente resistente a la destrucción por el calor o las vibraciones del entorno exterior. Qué es más, el equipo demostró una forma de encender o apagar el Majorana utilizando pequeños imanes integrados en el dispositivo. El informe apareció en la revista. Ciencias .
"Con este nuevo estudio, ahora tenemos una nueva forma de diseñar cuasipartículas de Majorana en materiales, "dijo Ali Yazdani, Profesor de Física de la promoción de 1909 y autor principal del estudio. "Podemos verificar su existencia imaginándolos y podemos caracterizar sus propiedades predichas".
La Majorana lleva el nombre del físico Ettore Majorana, quien predijo la existencia de la partícula en 1937 solo un año antes de desaparecer misteriosamente durante un viaje en ferry frente a la costa italiana. Basándose en la misma lógica con la que el físico Paul Dirac predijo en 1928 que el electrón debe tener una antipartícula, posteriormente identificado como el positrón, Majorana teorizó la existencia de una partícula que es su propia antipartícula.
Normalmente, cuando la materia y la antimateria se unen, se aniquilan entre sí en una violenta liberación de energía, pero las Majoranas, cuando aparecen como pares en cada extremo de cables especialmente diseñados, pueden ser relativamente estables e interactuar débilmente con su entorno. Los pares permiten el almacenamiento de información cuántica en dos ubicaciones distintas, haciéndolos relativamente robustos contra perturbaciones porque cambiar el estado cuántico requiere operaciones en ambos extremos del cable al mismo tiempo.
Esta capacidad ha cautivado a los tecnólogos que imaginan una forma de hacer bits cuánticos, las unidades de la computación cuántica, que son más robustas que los enfoques actuales. Los sistemas cuánticos son apreciados por su potencial para abordar problemas imposibles de resolver con las computadoras actuales. pero requieren mantener un estado frágil llamado superposición, que si se interrumpe, puede resultar en fallas del sistema.
Una computadora cuántica basada en Majorana almacenaría información en pares de partículas y realizaría cálculos trenzándolos entre sí. Los resultados del cálculo se determinarían mediante la aniquilación de Majoranas entre sí, que puede resultar en la aparición de un electrón (detectado por su carga) o nada, dependiendo de cómo se haya trenzado la pareja de Majoranas. El resultado probabilístico de la aniquilación del par Majorana subyace a su uso para la computación cuántica.
El desafío es cómo crear y controlar fácilmente Majoranas. Uno de los lugares donde pueden existir es en los extremos de una cadena de átomos magnéticos de un solo átomo de espesor en un lecho superconductor. En 2014, reportando en Ciencias , Yazdani y sus colaboradores utilizaron un microscopio de efecto túnel (STM), en el que se arrastra una punta sobre los átomos para revelar la presencia de cuasipartículas, para encontrar Majoranas en ambos extremos de una cadena de átomos de hierro que descansan sobre la superficie de un superconductor.
El equipo pasó a detectar el "giro cuántico, "una propiedad compartida por los electrones y otras partículas subatómicas. En un informe publicado en Science en 2017, el equipo declaró que la propiedad de giro de Majorana es una señal única con la que determinar que una cuasipartícula detectada es de hecho una Majorana.
En este último estudio, el equipo exploró otro lugar previsto para encontrar Majoranas:en el canal que se forma en el borde de un aislante topológico cuando se pone en contacto con un superconductor. Los superconductores son materiales en los que los electrones pueden viajar sin resistencia, y los aislantes topológicos son materiales en los que los electrones fluyen solo a lo largo de los bordes.
La teoría predice que las cuasipartículas de Majorana se pueden formar en el borde de una delgada lámina de aislante topológico que entra en contacto con un bloque de material superconductor. La proximidad del superconductor hace que los electrones fluyan sin resistencia a lo largo del borde del aislante topológico, que es tan delgado que se puede pensar en un alambre. Dado que las Majoranas se forman al final de los alambres, debería ser posible hacerlos aparecer cortando el alambre.
"Fue una predicción, y estuvo ahí sentado todos estos años, ", dijo Yazdani." Decidimos explorar cómo se podría realmente hacer esta estructura debido a su potencial para hacer Majoranas que serían más robustas a las imperfecciones materiales y la temperatura ".
El equipo construyó la estructura evaporando una delgada lámina de aislante topológico de bismuto encima de un bloque de superconductor de niobio. Colocaron bits de memoria magnética del tamaño de un nanómetro en la estructura para proporcionar un campo magnético, que descarrila el flujo de electrones, produciendo el mismo efecto que cortar el alambre. Usaron STM para visualizar la estructura.
Al usar su microscopio para cazar la Majorana, sin embargo, los investigadores al principio quedaron perplejos por lo que vieron. Algunas de las veces que vieron aparecer la Majorana, y otras veces no pudieron encontrarlo. Después de una exploración más profunda, se dieron cuenta de que Majorana solo aparece cuando los pequeños imanes se magnetizan en la dirección paralela a la dirección del flujo de electrones a lo largo del canal.
"Cuando comenzamos a caracterizar los pequeños imanes, nos dimos cuenta de que son el parámetro de control, ", dijo Yazdani." La forma en que se orienta la magnetización del bit determina si el Majorana aparece o no. Es un interruptor de encendido y apagado ".
El equipo informó que la cuasipartícula de Majorana que se forma en este sistema es bastante robusta porque ocurre a energías que son distintas de las otras cuasipartículas que pueden existir en el sistema. La robustez también se deriva de su formación en un modo de borde topológico, que es inherentemente resistente a la interrupción. Los materiales topológicos derivan su nombre de la rama de las matemáticas que describe cómo los objetos se pueden deformar al estirar o doblar. Los electrones que fluyen en un material topológico continuarán moviéndose alrededor de cualquier abolladura o imperfección.
