I fermioni di Majorana sono particelle che potrebbero essere potenzialmente utilizzate come unità di informazione per un computer quantistico. Un esperimento dei fisici dello Swiss Nanoscience Institute e del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea ha confermato la loro teoria secondo cui i fermioni di Majorana possono essere generati e misurati su un superconduttore all'estremità di fili costituiti da singoli atomi di ferro. I ricercatori sono anche riusciti a osservare le proprietà ondulatorie di Majoranas e, perciò, nel rendere visibile per la prima volta l'interno di una Majorana. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista npj Informazioni quantistiche .

Circa 75 anni fa, Il fisico italiano Ettore Majorana ha ipotizzato l'esistenza di particelle esotiche che sono le proprie antiparticelle. Da allora, interesse per queste particelle, noti come fermioni di Majorana, è cresciuto enormemente dato che potrebbero svolgere un ruolo nella creazione di un computer quantistico. I Majorana sono già stati descritti molto bene in teoria. Però, esaminarli e ottenere prove sperimentali è difficile perché devono presentarsi in coppia ma sono poi generalmente legati a formare un elettrone normale. Sono quindi necessarie combinazioni e disposizioni ingegnose di vari materiali per generare due Majorana e tenerli separati.

Collaborazione tra teoria e pratica

Il gruppo guidato dal professor Ernst Meyer ha ora utilizzato previsioni e calcoli dei fisici teorici, la professoressa Jelena Klinovaja e il professor Daniel Loss (dell'Istituto svizzero di nanoscienze e del dipartimento di fisica dell'Università di Basilea) per misurare sperimentalmente gli stati che corrispondono a Majoranas. Su un superconduttore, i ricercatori hanno fatto evaporare singoli atomi di ferro con spin che, a causa della struttura rigata degli atomi di piombo, si dispongono in un filo minuto comprendente una fila di singoli atomi. I fili hanno raggiunto una lunghezza sorprendente fino a 70 nanometri.

Majorana singoli alle estremità

I ricercatori hanno esaminato queste catene monoatomiche con l'aiuto della microscopia a scansione di tunnel e, per la prima volta, anche con un microscopio a forza atomica. Utilizzando le immagini e le misurazioni, hanno trovato chiare indicazioni dell'esistenza di singoli fermioni di Majorana alle estremità dei fili in determinate condizioni e da una specifica lunghezza di filo in poi.

Nonostante la distanza tra loro, i due Majorana alle estremità dei fili sono ancora collegati. Insieme, formano un nuovo stato esteso su tutto il filo che può essere occupato ("1") o non occupato ("0") da un elettrone. Questa proprietà binaria può quindi servire come base per un bit quantistico (Qubit) e significa che Majoranas, che sono anche molto robusti contro una serie di influenze ambientali, sono candidati promettenti per la creazione di un futuro computer quantistico.

Funzione d'onda prevista misurata

I ricercatori di Basilea non solo hanno dimostrato che si possono generare e misurare singoli Majorana alle estremità di un filo di ferro, hanno anche eseguito il primo esperimento per dimostrare che i Majorana sono oggetti quantistici estesi con una struttura interna, come previsto dai loro colleghi di teoria. Su un'area di diversi nanometri, le misurazioni hanno mostrato la funzione d'onda prevista con oscillazioni caratteristiche e lunghezze di decadimento duplici, che ora sono stati resi visibili per la prima volta.