Un estado cuántico exótico conocido como "fermión quiral de Majorana" se predice en dispositivos en los que se fija un superconductor en la parte superior de un aislante de Hall anómalo cuántico (QAH) (panel izquierdo). Los experimentos realizados en Penn State y la Universidad de Würzburg en Alemania muestran que la tira superconductora de tamaño milimétrico utilizada en la geometría del dispositivo propuesto crea un cortocircuito eléctrico, impidiendo la detección de quirales Majoranas (panel derecho). Crédito:Cui-zu Chang, Penn State
Un informe de 2017 del descubrimiento de un tipo particular de fermión de Majorana, el fermión quiral de Majorana, conocida como la "partícula de ángel", es probable que sea una falsa alarma, según una nueva investigación. Los fermiones de Majorana son partículas enigmáticas que actúan como su propia antipartícula y se planteó la hipótesis de que existían por primera vez en 1937. Son de inmenso interés para los físicos porque sus propiedades únicas podrían permitirles ser utilizados en la construcción de una computadora cuántica topológica.
Un equipo de físicos de Penn State y la Universidad de Wurzburg en Alemania dirigido por Cui-Zu Chang, un profesor asistente de física en Penn State estudió más de tres docenas de dispositivos similares al utilizado para producir la partícula de ángel en el informe de 2017. Descubrieron que la característica que se decía que era la manifestación de la partícula de ángel era poco probable que fuera inducida por la existencia de la partícula de ángel. Un artículo que describe la investigación aparece el 3 de enero, 2020 en la revista Ciencias .
"Cuando el físico italiano Ettore Majorana predijo la posibilidad de una nueva partícula fundamental que es su propia antipartícula, poco podía haber imaginado las implicaciones duraderas de su idea imaginativa, "dijo Nitin Samarth, Jefe del Departamento de Downsbrough y profesor de física en Penn State. "Más de 80 años después de la predicción de Majorana, Los físicos continúan buscando activamente firmas del todavía esquivo "fermión de Majorana" en diversos rincones del universo ".
En uno de esos esfuerzos, Los físicos de partículas están utilizando observatorios subterráneos que buscan probar si la partícula fantasmal conocida como neutrino, una partícula subatómica que rara vez interactúa con la materia, podría ser un fermión de Majorana. En un frente completamente diferente, Los físicos de la materia condensada buscan descubrir manifestaciones de la física de Majorana en dispositivos de estado sólido que combinan materiales cuánticos exóticos con superconductores. En tales dispositivos, Se teoriza que los electrones se visten como fermiones de Majorana uniendo un tejido construido a partir de aspectos centrales de la mecánica cuántica, física relativista, y topología. Esta versión análoga de los fermiones de Majorana ha captado particularmente la atención de los físicos de la materia condensada porque puede proporcionar una vía para construir una "computadora cuántica topológica" cuyos qubits (versiones cuánticas de ceros y unos binarios) están inherentemente protegidos de la decoherencia ambiental:la pérdida de información que se produce cuando un sistema cuántico no está perfectamente aislado y constituye un obstáculo importante en el desarrollo de las computadoras cuánticas.
"Un primer paso importante hacia este sueño lejano de crear una computadora cuántica topológica es demostrar evidencia experimental definitiva de la existencia de fermiones de Majorana en materia condensada, ", dijo Chang." Durante los últimos siete años, varios experimentos han afirmado mostrar tal evidencia, pero la interpretación de estos experimentos todavía se debate ".
El equipo estudió dispositivos fabricados a partir de un material cuántico conocido como "aislante de Hall anómalo cuántico" en el que la corriente eléctrica fluye solo en el borde. Un estudio reciente predijo que cuando la corriente de borde está en contacto limpio con un superconductor, Se crean fermiones de Majorana quirales que se propagan y la conductancia eléctrica del dispositivo debe estar "semicuantificada" (un valor de e2 / 2h donde "e" es la carga del electrón y "h" es la constante de Planck), cuando está sujeto a un campo magnético preciso. El equipo de Penn State-Wurzburg estudió más de tres docenas de dispositivos con varias configuraciones de materiales diferentes y descubrió que los dispositivos con un contacto superconductor limpio siempre muestran el valor medio cuantificado independientemente de las condiciones del campo magnético. Esto ocurre porque el superconductor actúa como un cortocircuito eléctrico y, por lo tanto, no es indicativo de la presencia del fermión de Majorana.
"El hecho de que dos laboratorios, en Penn State y en Wurzburg, encontraron resultados completamente consistentes utilizando una amplia variedad de configuraciones de dispositivos, arroja serias dudas sobre la validez de la geometría experimental propuesta teóricamente y cuestiona la afirmación de 2017 de observar la partícula de ángel, "dijo Moses Chan, Incluso el profesor emérito de física de Pugh en Penn State.
"Sigo siendo optimista de que la combinación de aisladores de Hall anómalos cuánticos y superconductividad es un esquema atractivo para realizar Majoranas quirales, "dijo Morteza Kayyalha, un investigador asociado postdoctoral en Penn State que llevó a cabo la fabricación y las mediciones del dispositivo. "Pero nuestros colegas teóricos necesitan repensar la geometría del dispositivo".
"Esta es una excelente ilustración de cómo debería funcionar la ciencia, "dijo Samarth." Las afirmaciones extraordinarias de descubrimiento deben ser examinadas y reproducidas cuidadosamente. Todos nuestros postdoctorados y estudiantes trabajaron muy duro para asegurarse de llevar a cabo pruebas muy rigurosas de las afirmaciones anteriores. También nos aseguramos de que todos nuestros datos y métodos se compartan de forma transparente con la comunidad para que nuestros resultados puedan ser evaluados críticamente por colegas interesados ".