Tan misterioso como el científico italiano por el que se la conoce, el fermión de Majorana es una de las búsquedas más convincentes en la física cuya fama proviene de sus extrañas propiedades, ya que es la única partícula que es su propia antipartícula, así como por su potencial para ser aprovechada para la futura computación cuántica. Investigadores de la Universidad de Princeton han detectado una partícula fuerte y cómo se puede activarse y desactivase.
En los últimos años, un puñado de grupos, incluido un equipo en Princeton, han informado que encontraron Majorana en varios materiales, pero el desafío era cómo manipularlo para el cálculo cuántico.
En el nuevo estudio, que publica la revista 'Science', el equipo de Princeton informa sobre una forma de controlar las cuasipartículas de Majorana en un entorno que también las hace más consistentes. La configuración, que combina un superconductor y un material exótico llamado aislante topológico, hace que la Majorana sea especialmente resistente a la destrucción por calor o vibraciones del ambiente exterior. Además, el equipo demostró una forma de encender o apagar el fermión utilizando pequeños imanes integrados en el dispositivo.
"Con este nuevo estudio, ahora tenemos una nueva forma de diseñar las quasipartículas de Majorana en materiales --anuncia Ali Yazdani, profesor de Física de 1909 y autor principal del estudio--. Podemos verificar su existencia por imágenes y podemos caracterizar sus propiedades predichas".
La Majorana lleva el nombre del físico Ettore Majorana, quien predijo la existencia de la partícula en 1937 justo un año antes de desaparecer misteriosamente durante un viaje en ferry desde la costa italiana. Sobre la base de la misma lógica con la que el físico Paul Dirac predijo en 1928 que el electrón debía tener una antipartícula, que luego se identificó como positrón, Majorana teorizó la existencia de una partícula que es su propia antipartícula.
Normalmente, cuando la materia y la antimateria se unen, se aniquilan mutuamente 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, lo que los hace relativamente robustos contra las 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 computación cuántica, más robustas que los actuales. Los sistemas Quantum son apreciados por su potencial para abordar problemas imposibles de resolver con las computadoras de hoy en día, pero requieren mantener un estado frágil llamado superposición, que si se interrumpe, puede ocasionar fallos en el sistema.
Una computadora cuántica basada en Majorana almacenaría información en pares de partículas y realizaría el cálculo trenzándolos entre sí. Los resultados del cálculo se determinarían mediante la aniquilación de las Majoranas entre sí, lo que puede resultar en la aparición de un electrón (detectado por su carga) o en nada, según cómo se trenzara el par de Majoranas. El resultado probabilístico de la aniquilación del par de Majorana subyace a su uso para el cálculo cuántico.
El reto es cómo crear y controlar fácilmente las 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, en una información que ya publicó 'Science', Yazdani y sus colaboradores utilizaron un microscopio de exploración de túneles (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 en la superficie de un superconductor.
El equipo pasó a detectar el giro cuántico de Majorana, 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 quasipartícula detectada es de hecho una Majorana.
En este último estudio, el equipo exploró otro lugar predicho para encontrar Majoranas: en el canal que se forma en el borde de un aislante topológico cuando se coloca en contacto con un superconductor. Los superconductores son materiales en los que los electrones pueden viajar sin resistencia, y los aisladores topológicos son materiales en los que los electrones fluyen solo a lo largo de los bordes.
La teoría predice que las quasipartículas de Majorana pueden formarse en el borde de una lámina delgada 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 aislador topológico, que es tan delgado que puede considerarse como un cable. Como las Majoranas se forman al final de los cables, debería ser posible hacer que aparezcan cortando el cable.
"Era una predicción y ha estado ahí todos estos años --admite Yazdani--. Decidimos explorar cómo se podría realmente hacer esta estructura debido a su potencial para hacer que la Majorana sea más robusta para las imperfecciones y la temperatura del material".
El equipo construyó la estructura mediante la evaporación de una lámina delgada de aislante topológico de bismuto sobre un bloque de superconductor de niobio. Colocaron bits de memoria magnética de tamaño nanométrico en la estructura para proporcionar un campo magnético, que desvía el flujo de electrones, produciendo el mismo efecto que cortando el cable.
Sin embargo, cuando utilizaron su microscopio para buscar la Majorana, los investigadores se quedaron perplejos por lo que vieron. Algunas veces vieron aparecer a la Majorana, y otras veces no pudieron encontrarla. Después de una exploración adicional, se dieron cuenta de que la Majorana solo aparece cuando los imanes pequeños se magnetizan en la dirección paralela a la dirección del flujo de electrones a lo largo del canal.
"Cuando comenzamos a caracterizar los imanes pequeños, nos dimos cuenta de que son el parámetro de control --explica Yazdani--. La forma en que se orienta la magnetización del bit determina si aparece Majorana o no. Es un interruptor de encendido y apagado".
El equipo informó que la quasipartícula de Majorana que se forma en este sistema es bastante robusta porque ocurre en energías que son distintas de las otras quasipartículas 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 las interrupciones.
Los materiales topológicos derivan su nombre de la rama de las matemáticas que describe cómo los objetos pueden deformarse al estirarse o doblarse. Los electrones que fluyen en un material topológico continuarán moviéndose alrededor de cualquier abolladura o imperfección.
