Investigadores de la Universidad de Princeton han detectado una propiedad cuántica única de una partícula esquiva notable por comportarse simultáneamente como materia y antimateria. La partícula, conocida como el fermión Majorana, es apreciada por los investigadores por su potencial para abrir las puertas a nuevas posibilidades de computación cuántica.
En el estudio publicado esta semana en la revista ciencia , el equipo de investigación describió cómo mejoraron una técnica de imagen existente, llamada microscopía de túnel de exploración, para capturar señales de la partícula de Majorana en ambos extremos de un alambre de hierro atómicamente delgado estirado en la superficie de un cristal de plomo. Su método implicaba detectaruna propiedad cuántica distintiva conocida como espín, que se ha propuesto para transmitir información cuántica en circuitos que contienen la partícula Majorana.
"La propiedad de espín de Majoranas los distingue de otros tipos de cuasi partículas que emergen en los materiales", dijo Ali Yazdani, profesor de física de la clase de Princeton de 1909. "La detección experimental de esta propiedad proporciona una firma única de esta partícula exótica"
El hallazgo se basa en el descubrimiento del equipo en 2014, también publicado en ciencia , del fermión Majorana en una cadena de átomos de hierro de un solo átomo sobre un sustrato de plomo. En ese estudio, el microscopio de túnel de exploración se utilizó para visualizar Majoranas por primera vez, pero no proporcionó otras medidas de sus propiedades.
"Nuestro objetivo ha sido probar algunas de las propiedades cuánticas específicas de Majoranas. Tales experimentos proporcionan no solo una confirmación adicional de su existencia en nuestras cadenas, sino que abren posibles formas de usarlas", dijo Yazdani.
Teorizada por primera vez a fines de la década de 1930 por el físico italiano Ettore Majorana, la partícula es fascinante porque actúa como su propia antipartícula. En los últimos años, los científicos se han dado cuenta de que pueden diseñar cables unidimensionales, como las cadenas deátomos en la superficie superconductora en el estudio actual, para hacer que los fermiones de Majorana emerjan en sólidos. En estos cables, las Majoranas se presentan como pares en cada extremo de las cadenas, siempre que las cadenas sean lo suficientemente largas como para que las Majoranas se mantengan lo suficientemente separadas como para hacerlo.no aniquilarse entre sí. En un sistema de computación cuántica, la información podría almacenarse simultáneamente en ambos extremos del cable, proporcionando una robustez contra las interrupciones externas a los estados cuánticos inherentemente frágiles.
Los esfuerzos experimentales previos para detectar Majoranas han utilizado el hecho de que es tanto una partícula como una antipartícula. La firma reveladora se llama pico de sesgo cero en una medición de túnel cuántico. Pero los estudios han demostrado que tales señales también pueden ocurrir debido aun par de cuasipartículas ordinarias que pueden emerger en superconductores. El profesor de Física Andrei Bernevig y su equipo, que junto con el grupo de Yazdani propusieron la plataforma de la cadena atómica, desarrollaron la teoría que mostró que las mediciones polarizadas por espín realizadas usando un microscopio de túnel de barrido pueden distinguir entrepresencia de un par de cuasi partículas ordinarias y una Majorana.
Normalmente, la microscopía de túnel de exploración STM implica arrastrar un electrodo de punta fina sobre una estructura, en este caso la cadena de átomos de hierro, y detectar sus propiedades electrónicas, a partir de las cuales se puede construir una imagen. Para realizar mediciones sensibles al giro, los investigadores crean electrodos que están magnetizados en diferentes orientaciones. Estas mediciones STM "polarizadas por rotación" revelaron firmas que están de acuerdo con los cálculos teóricos de Bernevig y su equipo.
"Resulta que, a diferencia del caso de una cuasi partícula convencional, el giro de la Majorana no puede ser detectado por el fondo. En este sentido, es una prueba de fuego para la presencia del estado de Majorana", Bernevigdijo.
La propiedad de espín cuántico de Majorana también puede hacerlos más útiles para aplicaciones en información cuántica. Por ejemplo, los cables con Majoranas en cualquier extremo pueden usarse para transferir información entre bits cuánticos lejanos que dependen del espín de electrones.Los espines de electrones y Majoranas pueden ser el siguiente paso para aprovechar sus propiedades para la transferencia cuántica de información.
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Materiales proporcionados por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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