Tan misterioso como el científico italiano por el que lleva su nombre, la partícula Majorana es una de las misiones más convincentes en física.
Su fama se deriva de sus extrañas propiedades, es la única partícula que es su propia antipartícula, y de su potencial para ser aprovechada para la computación cuántica futura.
En los últimos años, un puñado de grupos, incluido un equipo de Princeton, informaron haber encontrado el Majorana en varios materiales, pero el desafío es cómo manipularlo para el cálculo cuántico.
En un nuevo estudio publicado esta semana, el equipo de Princeton informa una forma de controlar las cuasipartículas de Majorana en un entorno que también los hace más robustos. El entorno, que combina un superconductor y un material exótico llamado aislante topológico, hace que Majoranasespecialmente resistente contra la destrucción por el calor o las vibraciones del ambiente exterior. Además, el equipo demostró una forma de encender o apagar el Majorana utilizando pequeños imanes integrados en el dispositivo. El informe apareció en la revista ciencia .
"Con este nuevo estudio, ahora tenemos una nueva forma de diseñar cuasipartículas de Majorana en materiales", dijo Ali Yazdani, profesor de física de la clase de 1909 y autor principal del estudio. "Podemos verificar su existencia imaginándolos y podemoscaracterizar sus propiedades predichas "
La Majorana lleva el nombre del físico Ettore Majorana, quien predijo la existencia de la partícula en 1937 solo un año antes de desaparecer misteriosamente durante un viaje en ferry frente a la costa italiana. Basándose en la misma lógica con la que el físico Paul Dirac predijo en 1928 que elEl electrón debe tener una antipartícula, más tarde identificada como el positrón, Majorana teorizó la existencia de una partícula que es su propia antipartícula.
Normalmente, cuando la materia y la antimateria se unen, se aniquilan entre sí en una violenta liberación de energía, pero las Majoranas, cuando aparecen como pares en cada extremo de los 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, ya que 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, que son más robustas que los enfoques actuales. Los sistemas cuánticos son apreciados por su potencial para abordar problemas imposibles de resolver con las computadoras actuales, perorequieren mantener un estado frágil llamado superposición, que si se interrumpe, puede provocar fallas en el sistema.
Una computadora cuántica basada en Majorana almacenaría información en pares de partículas y realizaría el cálculo trenzándolas entre sí. Los resultados del cálculo se determinarían mediante la aniquilación de Majoranas entre sí, lo que puede dar como resultado la aparición de un electróndetectado por su carga o nada, dependiendo de cómo se haya trenzado el par de Majoranas. El resultado probabilístico de la aniquilación del par Majorana subyace a su uso para el cálculo cuántico.
El desafío es cómo crear y controlar fácilmente 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, informando ciencia , Yazdani y sus colaboradores utilizaron un microscopio de túnel de exploración 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 descansa sobre la superficie de un superconductor.
El equipo detectó el "giro" cuántico de Majorana, una propiedad compartida por 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 para determinarque una cuasipartícula 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 pone en contacto con un superconductor. Los superconductores son materiales en los que los electrones pueden viajar sin resistencia,y los aislantes topológicos son materiales en los que los electrones fluyen solo a lo largo de los bordes.
La teoría predice que las cuasipartículas de Majorana pueden formarse en el borde de una delgada lámina de aislante topológico que entra en contacto con un bloque de material superconductor. La proximidad del superconductor induce a los electrones a fluir sin resistencia a lo largo del borde del aislador topológico, que estan delgado que puede considerarse como un cable. Dado que las Majoranas se forman al final de los cables, debería ser posible hacer que aparezcan cortando el cable.
"Fue una predicción, y solo estuvo allí todos estos años", dijo Yazdani. "Decidimos explorar cómo se podría realmente hacer esta estructura debido a su potencial para hacer Majoranas que serían más resistentes a las imperfecciones materiales ytemperatura."
El equipo construyó la estructura evaporando una delgada lámina de aislante topológico de bismuto sobre un bloque de superconductor de niobio. Colocaron bits de memoria magnética del tamaño de un nanómetro en la estructura para proporcionar un campo magnético, que descarrila el flujo de electrones, produciendo el mismoefecto como cortar el cable. Usaron STM para visualizar la estructura.
Sin embargo, cuando usaban su microscopio para buscar la Majorana, los investigadores se quedaron perplejos al principio por lo que vieron. Algunas veces vieron la Majorana aparecer, y otras veces no pudieron encontrarla. Después de una exploración más profunda se dieron cuenta de quela 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", dijo Yazdani. "La forma en que se orienta la magnetización del bit determina si aparece o no el Majorana. Es un interruptor de encendido y apagado."
El equipo informó que la cuasipartícula de Majorana que se forma en este sistema es bastante robusta porque se produce a energías distintas de las otras cuasipartículas 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 la disrupción. 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.
Los fondos fueron provistos por la Fundación Gordon y Betty Moore, la Oficina de Investigación Naval de los EE. UU., El Departamento de Energía de EE. UU., Los programas NSF-MRSEC de la Fundación Nacional de Ciencias a través del Centro Princeton para Materiales Complejos, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., Alexander-von-Humboldt Foundation, Simons Investigator Grants, David and Lucile Packard Foundation, National Natural Science Foundation of China y Eric and Wendy Schmidt Transformative Technology Fund.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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