La mayoría de los materiales contienen muchos electrones, cada uno de los cuales tiene una carga negativa y un tipo de momento cuántico intrínseco conocido como espín. Las interacciones entre electrones en algunos materiales pueden producir partículas emergentes, o partículas que tienen características completamente diferentes a las de los electrones que las componen. Los ejemplos incluyen materiales en los que la carga y el giro se separan y materiales en los que la unidad de carga se descompone en fracciones más pequeñas.

Majoranas, que entran en esta categoría de partículas emergentes, pueden existir en ciertos tipos de superconductores y en un estado cuántico de la materia conocido como líquido de espín. Dos Majoranas se combinan para formar un electrón, por lo que los científicos pretenden identificar materiales en los que estas Majoranas puedan existir por separado. Hacerlo permitiría a los investigadores observar las capacidades únicas que estas partículas demuestran por sí solas, incluidos métodos eficientes para almacenar y transferir información a grandes distancias.

Para lograr este objetivo, un equipo de investigadores que incluye a Amir Yacoby de la Universidad de Harvard, miembro del Centro de Ciencias Cuánticas con sede en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, ha publicado un artículo de revisión en Science. sobre el estado del campo de investigación de Majorana. El QSC es un Centro Nacional de Investigación en Ciencias de la Información Cuántica del DOE.

El equipo, formado por investigadores de Harvard, la Universidad de Princeton y la Universidad Libre de Berlín, se centra en estudiar el comportamiento de Majorana para reforzar el conocimiento de las posibles aplicaciones de estas partículas y de su impacto en fenómenos científicos fundamentales.

"Estas partículas peculiares sólo existen en ciertos materiales", dijo Yacoby. "Entonces, las preguntas son:¿en qué materiales existen y cómo? ¿Y qué tipo de pruebas podemos hacer para determinar si un material en particular tiene el potencial de albergar Majoranas? Responder a estas preguntas es uno de los principales desafíos en este campo. "

En su artículo, los investigadores describen el progreso realizado durante la última década y se centran principalmente en las cuatro plataformas que parecen prometedoras para aislar y medir Majoranas:nanocables, el efecto Hall cuántico fraccional, materiales topológicos y uniones Josephson.

Los nanocables, que son la opción más estudiada para realizar sistemas cuánticos basados ​​en Majorana, son varillas delgadas hechas de un material semiconductor. Otra forma de crear una atmósfera acogedora para Majoranas es habilitar el efecto Hall cuántico fraccionario, que se produce cuando los electrones se mueven en un plano sujeto a un fuerte campo magnético.

Muchos materiales topológicos también son huéspedes potenciales de Majoranas debido a su estructura aparentemente contradictoria de regiones interiores que actúan como aislantes eléctricos y regiones exteriores que conducen electricidad fácilmente. Finalmente, las uniones de Josephson constan de dos superconductores separados por una pieza normal de metal o un semiconductor. Estudios anteriores de QSC han indicado que estos sándwiches superconductores podrían diseñarse para albergar cómodamente a Majoranas.

"Cuando aplicamos nuevas técnicas a estos diferentes tipos de materiales, lo que sucede a menudo es que descubrimos cosas que no esperábamos", dijo Yacoby. "Parte de nuestro objetivo es comprender mejor qué es exactamente lo que vemos en las firmas que observamos".

Esta investigación se alinea con las prioridades de QSC. Los investigadores están trabajando con otros miembros del QSC, incluidos Prineha Narang de UCLA y Stephen Jesse de ORNL, para continuar ideando nuevas metodologías teóricas y experimentales destinadas a seleccionar materiales para Majoranas.

"A través del QSC, hemos podido aprovechar las nuevas tecnologías que están surgiendo dentro de la comunidad científica cuántica", dijo Yacoby. "Esto incluye nuevas formas de medir y sondear la materia para idear nuevas pruebas que nos digan si vale la pena considerar un material como posible huésped de Majoranas o no".