Los físicos del MIT y de otros lugares han observado evidencia de fermiones de Majorana —partículas que se teoriza que también son su propia antipartícula— en la superficie de un metal común:el oro. Este es el primer avistamiento de fermiones de Majorana en una plataforma que potencialmente puede ampliarse. Los resultados, publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , son un paso importante para aislar las partículas como estables, qubits a prueba de errores para computación cuántica.

En física de partículas, Los fermiones son una clase de partículas elementales que incluye electrones, protones, neutrones y quarks, todos los cuales constituyen los componentes básicos de la materia. En la mayor parte, estas partículas se consideran fermiones de Dirac, después del físico inglés Paul Dirac, quien predijo por primera vez que todas las partículas fundamentales fermiónicas deberían tener una contraparte, en algún lugar del universo, en forma de antipartícula, esencialmente, un gemelo idéntico de carga opuesta.

En 1937, el físico teórico italiano Ettore Majorana extendió la teoría de Dirac, prediciendo que entre fermiones, debería haber algunas partículas, desde fermiones llamados Majorana, que son indistinguibles de sus antipartículas. Misteriosamente, el físico desapareció durante un viaje en ferry frente a la costa italiana apenas un año después de hacer su predicción. Los científicos han estado buscando la enigmática partícula de Majorana desde entonces. Se ha sugerido, pero no probado, que el neutrino puede ser una partícula de Majorana. Por otra parte, Los teóricos han predicho que los fermiones de Majorana también pueden existir en sólidos bajo condiciones especiales.

Ahora, el equipo dirigido por el MIT ha observado evidencia de fermiones de Majorana en un sistema de materiales que diseñaron y fabricaron. que consiste en nanocables de oro cultivados sobre un material superconductor, vanadio, y salpicado de pequeños, "islas" ferromagnéticas de sulfuro de europio. Cuando los investigadores escanearon la superficie cerca de las islas, vieron picos de señal de firma cerca de la energía cero en la superficie superior del oro que, según la teoría, solo debe ser generado por pares de fermiones de Majorana.

"Los ferminones de Majorana son estas cosas exóticas, que durante mucho tiempo ha sido un sueño para ver, y ahora los vemos en un material muy simple:oro, "dice Jagadeesh Moodera, un científico investigador senior en el Departamento de Física del MIT. "Hemos demostrado que están ahí, y estable, y fácilmente escalable ".

"El próximo impulso será tomar estos objetos y convertirlos en qubits, lo que sería un gran progreso hacia la computación cuántica práctica, "añade el coautor Patrick Lee, el profesor de física William y Emma Rogers en el MIT.

Los coautores de Lee y Moodera incluyen al ex postdoctorado del MIT y primer autor Sujit Manna (actualmente en la facultad del Instituto Indio de Tecnología en Delhi), y el ex postdoctorado del MIT Peng Wei de la Universidad de California en Riverside, junto con Yingming Xie y Kam Tuen Law de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong.

Alto riesgo

Si pudieran aprovecharse, Los fermiones de Majorana serían ideales como qubits, o unidades computacionales individuales para computadoras cuánticas. La idea es que un qubit estaría formado por combinaciones de pares de fermiones de Majorana, cada uno de los cuales estaría separado de su socio. Si los errores de ruido afectan a un miembro del par, el otro no debe verse afectado, preservando así la integridad del qubit y permitiéndole realizar correctamente un cálculo.

Los científicos han buscado fermiones de Majorana en semiconductores, los materiales utilizados en convencional, Computación basada en transistores. En sus experimentos, los investigadores han combinado semiconductores con superconductores, materiales a través de los cuales los electrones pueden viajar sin resistencia. Esta combinación imparte propiedades superconductoras a los semiconductores convencionales, que los físicos creen que deberían inducir la división de partículas en el semiconductor, formando la pareja de fermiones de Majorana.

"Hay varias plataformas de material donde la gente cree haber visto partículas de Majorana, "Dice Lee." La evidencia es cada vez más fuerte, pero todavía no está 100% probado ".

Y lo que es más, las configuraciones basadas en semiconductores hasta la fecha han sido difíciles de escalar para producir los miles o millones de qubits necesarios para una computadora cuántica práctica, porque requieren el cultivo de cristales muy precisos de material semiconductor y es muy difícil convertirlos en superconductores de alta calidad.

Hace aproximadamente una década, Sotavento, trabajando con su estudiante graduado Andrew Potter, tenía una idea:tal vez los físicos podrían observar fermiones de Majorana en el metal, un material que se vuelve superconductor fácilmente en la proximidad de un superconductor. Los científicos fabrican metales de forma rutinaria, incluido el oro, en superconductores. La idea de Lee era ver si el estado de la superficie del oro, su capa superior de átomos, podía convertirse en superconductor. Si esto pudiera lograrse, entonces el oro podría servir de limpieza, sistema atómicamente preciso en el que los investigadores pudieron observar fermiones de Majorana.

Lee propuso, basado en el trabajo previo de Moodera con aisladores ferromagnéticos, que si se colocara encima de una superficie superconductora de oro, entonces los investigadores deberían tener una buena posibilidad de ver claramente las firmas de los fermiones de Majorana.

"Cuando propusimos esto por primera vez, No pude convencer a muchos experimentadores de que lo probaran, porque la tecnología era abrumadora, ", dice Lee, quien finalmente se asoció con el grupo experimental de Moodera para asegurar una financiación crucial de la Fundación Templeton para realizar el diseño". Jagadeesh y Peng realmente tuvieron que reinventar la rueda. Fue extremadamente valiente saltar a esto, porque es realmente de alto riesgo pero creemos que es una gran recompensa, cosa."

"Buscando a Majorana"

En los últimos años, los investigadores han caracterizado el estado de la superficie del oro y han demostrado que podría funcionar como una plataforma para observar los fermiones de Majorana, después de lo cual el grupo comenzó a fabricar la configuración que Lee imaginó hace años.

Primero cultivaron una hoja de vanadio superconductor, sobre el cual se superponen nanocables de capa de oro, midiendo unos 4 nanómetros de espesor. Probaron la conductividad de la capa superior del oro, y descubrí que sí, De hecho, se vuelven superconductores en proximidad con el vanadio. Luego depositaron sobre las "islas" de nanocables de oro de sulfuro de europio, un material ferromagnético que es capaz de proporcionar los campos magnéticos internos necesarios para crear los fermiones de Majorana.

Luego, el equipo aplicó un pequeño voltaje y utilizó microscopía de túnel de barrido, una técnica especializada que permitió a los investigadores escanear el espectro de energía alrededor de cada isla en la superficie del oro.

Moodera y sus colegas luego buscaron una firma de energía muy específica que solo los fermiones de Majorana deberían producir, si existen. En cualquier material superconductor, los electrones viajan a través de ciertos rangos de energía. Sin embargo, hay un desierto o "brecha de energía" donde no debería haber electrones. Si hay un pico dentro de este espacio, es muy probable que sea una firma de los fermiones de Majorana.

Mirando sus datos, los investigadores observaron picos dentro de esta brecha de energía en los extremos opuestos de varias islas a lo largo de la dirección del campo magnético, que eran firmas claras de pares de fermiones de Majorana.

"Solo vemos este pico en lados opuestos de la isla, como predijo la teoría, "Moodera dice." En cualquier otro lugar, no lo ves ".

"En mis charlas, Me gusta decir que estamos encontrando a Majorana, en una isla en un mar de oro, "Lee agrega.

Moodera dice que la configuración del equipo, que solo requiere tres capas (oro intercalado entre un ferromagnético y un superconductor) es un "fácilmente alcanzable, sistema estable "que también debería ser económicamente escalable en comparación con el convencional, enfoques basados ​​en semiconductores para generar qubits.

"Ver un par de fermiones de Majorana es un paso importante para hacer un qubit, "Dice Wei." El siguiente paso es hacer un qubit a partir de estas partículas, y ahora tenemos algunas ideas sobre cómo hacer esto ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.