Perseguir partículas:es un juego al que juegan muchos físicos. A veces, la caza se lleva a cabo dentro de grandes supercolombinos, donde se necesitan colisiones espectaculares para encontrar partículas ocultas y nueva física. Para los físicos que estudian sólidos, el juego ocurre en un entorno muy diferente y las partículas buscadas no provienen de colisiones furiosas. En lugar de, entidades parecidas a partículas, llamadas cuasipartículas, surgen de interacciones electrónicas complicadas que ocurren en lo profundo de un material. A veces, las cuasipartículas son fáciles de probar, pero otros son más difíciles de detectar, acechando fuera de su alcance.

Nuevas mediciones muestran evidencia de la presencia de partículas exóticas de Majorana en la superficie de un superconductor no convencional. Ditelurida de uranio. Gráfico proporcionado por el Dr. E. Edwards, Director Gerente del Centro de Tecnología y Ciencia de la Información Cuántica de Illinois (IQUIST).

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois, dirigido por el físico Vidya Madhavan, en colaboración con investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, la Universidad de Maryland, Boston College, y ETH Zurich, han utilizado herramientas de microscopía de alta resolución para observar el funcionamiento interno de un tipo inusual de superconductor, ditelurida de uranio (UTe ₂ ). Sus mediciones revelan una fuerte evidencia de que este material puede ser el hogar natural de una cuasipartícula exótica que se ha estado escondiendo de los físicos durante décadas. El estudio aparece en la edición del 26 de marzo de Naturaleza .

Las partículas en cuestión fueron teorizadas en 1937 por un físico italiano llamado Ettore Majorana, y desde entonces, los físicos han intentado demostrar que pueden existir. Los científicos creen que una clase particular de materiales llamados superconductores quirales no convencionales pueden albergar Majoranas de forma natural. UTe ₂ puede tener todas las propiedades adecuadas para generar estas esquivas cuasipartículas.

"Conocemos la física de los superconductores convencionales y entendemos cómo pueden conducir electricidad o transportar electrones de un extremo a otro de un cable sin resistencia, ", dijo Madhavan." Los superconductores quirales no convencionales son mucho más raros, y la física es menos conocida. Comprenderlos es importante para la física fundamental y tiene aplicaciones potenciales en la computación cuántica. " ella dijo.

Dentro de un superconductor normal, los electrones se emparejan de una manera que permite el sin pérdidas, corrientes persistentes. Esto contrasta con un conductor normal, como alambre de cobre, que se calienta a medida que la corriente pasa a través de él. Parte de la teoría detrás de la superconductividad fue formulada hace décadas por tres científicos de la U de I que ganaron un premio Nobel de física por su trabajo. Para este tipo convencional de superconductividad, los campos magnéticos son el enemigo y rompen los pares, devolviendo el material a la normalidad. Durante el año pasado, Los investigadores demostraron que la ditelurida de uranio se comporta de manera diferente.

En 2019, Sheng Ran, Nicholas Butch (ambos coautores de este estudio) y sus colaboradores anunciaron que UTe ₂ permanece superconductor en presencia de campos magnéticos de hasta 65 Tesla, que es aproximadamente 10, 000 veces más fuerte que un imán de nevera. Este comportamiento poco convencional, combinado con otras medidas, llevó a los autores de ese artículo a suponer que los electrones se emparejaban de una manera inusual que les permitía resistir las rupturas. El emparejamiento es importante porque es muy probable que los superconductores con esta propiedad tengan partículas de Majorana en la superficie. El nuevo estudio de Madhavan y colaboradores refuerza los argumentos a favor de esto.

El equipo utilizó un microscopio de alta resolución llamado microscopio de túnel de barrido para buscar evidencia del emparejamiento inusual de electrones y partículas de Majorana. Este microscopio no solo puede trazar un mapa de la superficie del ditelururo de uranio hasta el nivel de los átomos, sino también sondear lo que está sucediendo con los electrones. El material en sí es plateado con escalones que sobresalen de la superficie. Estas características escalonadas son donde se ve mejor la evidencia de cuasipartículas de Majorana. Proporcionan un borde limpio que, si las predicciones son correctas, debe mostrar firmas de una corriente continua que se mueve en una dirección, incluso sin la aplicación de voltaje. El equipo escaneó los lados opuestos del escalón y vio una señal con un pico. Pero el pico fue diferente dependiendo de qué lado del escalón se escaneó.

"Mirando a ambos lados del escalón, ves una señal que es una imagen especular del otro. En un superconductor normal, no puedes encontrar eso, ", dijo Madhavan." La mejor explicación para ver las imágenes en el espejo es que estamos midiendo directamente la presencia de partículas de Majorana en movimiento, ", dijo Madhavan. El equipo dice que las mediciones indican que las cuasipartículas de Majorana que se mueven libremente están circulando juntas en una dirección, dando lugar a espejado, o quiral, señales.

Madhavan dice que el siguiente paso es realizar mediciones que confirmen que el material ha roto la simetría de inversión del tiempo. Esto significa que las partículas deberían moverse de manera diferente si la flecha del tiempo estuviera teóricamente invertida. Tal estudio proporcionaría evidencia adicional de la naturaleza quiral de UTe ₂ .

Si se confirma, ditelurida de uranio sería el único material, que no sea el superfluido He-3, demostrado ser un superconductor quiral no convencional. "Este es un gran descubrimiento que nos permitirá comprender este raro tipo de superconductividad, y tal vez, a tiempo, incluso podríamos manipular las cuasipartículas de Majorana de una manera útil para la ciencia de la información cuántica ".