Nel 1928, il fisico Paul Dirac ha fatto la sbalorditiva previsione che ogni particella fondamentale nell'universo ha un'antiparticella – la sua gemella identica ma con carica opposta. Quando particella e antiparticella si incontravano, si annichilivano, rilasciando uno sbuffo di energia. Abbastanza sicuro, pochi anni dopo la prima particella di antimateria, l'opposto dell'elettrone, il positrone - è stato scoperto, e l'antimateria divenne rapidamente parte della cultura popolare.

Ma nel 1937, un altro fisico brillante, Ettore Majorana, introdusse una nuova svolta:predisse che nella classe di particelle note come fermioni, che include il protone, neutrone, elettrone, neutrino e quark, dovrebbero esserci particelle che sono le loro antiparticelle.

Ora un team di scienziati di Stanford afferma di aver trovato la prima prova certa di un tale fermione di Majorana. È stato scoperto in una serie di esperimenti di laboratorio su materiali esotici presso l'Università della California in collaborazione con la Stanford University. Il team sperimentale è stato guidato dal professor Kang Wang dell'UCLA, e precise previsioni teoriche sono state fatte dal gruppo del professor Shoucheng Zhang di Stanford, in collaborazione con gruppi sperimentali guidati dal Professore Associato Jing Xia all'UC-Irvine e dal Professor Kai Liu all'UC-Davis. Il team ha riportato i risultati il ​​20 luglio in Scienza .

"Il nostro team ha previsto esattamente dove trovare il fermione di Majorana e cosa cercare come firma sperimentale "pistola fumante", "disse Zhang, un fisico teorico e uno degli autori senior del documento di ricerca. "Questa scoperta conclude una delle ricerche più intense nella fisica fondamentale, che ha attraversato esattamente 80 anni."

Sebbene la ricerca del famoso fermione sembri più intellettuale che pratica, Ha aggiunto, potrebbe avere implicazioni nella vita reale per la costruzione di computer quantistici robusti, anche se questo è certamente lontano nel futuro.

Il particolare tipo di fermione di Majorana osservato dal team di ricerca è noto come fermione "chirale" perché si muove lungo un percorso unidimensionale in una sola direzione. Mentre gli esperimenti che lo hanno prodotto erano estremamente difficili da concepire, impostare e realizzare, il segnale che hanno prodotto è stato chiaro e inequivocabile, hanno detto i ricercatori.

"Questa ricerca culmina in un inseguimento per molti anni per trovare fermioni chirali di Majorana. Sarà un punto di riferimento nel campo, " ha detto Tom Devereaux, direttore dello Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, dove Zhang è un investigatore principale.

"Sembra essere un'osservazione davvero pulita di qualcosa di nuovo, " ha detto Frank Wilczek, un fisico teorico e premio Nobel al Massachusetts Institute of Technology che non è stato coinvolto nello studio. "Non è fondamentalmente sorprendente, perché i fisici hanno pensato a lungo che i fermioni di Majorana potessero derivare dai tipi di materiali utilizzati in questo esperimento. Ma hanno messo insieme diversi elementi che non erano mai stati messi insieme prima, e ingegnerizzare cose in modo che questo nuovo tipo di particella quantistica possa essere osservato in modo pulito, modo robusto è una vera pietra miliare."

Cerca "quasiparticelle"

La previsione di Majorana si applicava solo ai fermioni che non hanno carica, come il neutrone e il neutrino. Da allora gli scienziati hanno trovato un'antiparticella per il neutrone, ma hanno buone ragioni per credere che il neutrino possa essere l'antiparticella di se stessa, e ci sono quattro esperimenti in corso per scoprirlo, tra cui EXO-200, l'ultima incarnazione dell'Osservatorio Arricchito allo Xenon, nel Nuovo Messico. Ma questi esperimenti sono straordinariamente difficili e non si prevede che forniranno una risposta per circa un decennio.

Circa 10 anni fa, gli scienziati si sono resi conto che i fermioni di Majorana potrebbero anche essere creati in esperimenti che esplorano la fisica dei materiali e la corsa era in corso per farlo accadere.

Quello che stavano cercando sono "quasiparticelle" - eccitazioni simili a particelle che derivano dal comportamento collettivo degli elettroni nei materiali superconduttori, che conducono elettricità con un'efficienza del 100%. Il processo che dà origine a queste quasiparticelle è simile al modo in cui l'energia si trasforma in particelle "virtuali" di breve durata e di nuovo in energia nel vuoto dello spazio, secondo la famosa equazione di Einstein E =mc2. Mentre le quasiparticelle non sono come le particelle che si trovano in natura, sarebbero comunque considerati veri fermioni di Majorana.

Negli ultimi cinque anni, gli scienziati hanno avuto un certo successo con questo approccio, riferendo di aver visto firme promettenti di fermioni di Majorana in esperimenti che coinvolgono nanofili superconduttori.

Ma in quei casi le quasiparticelle erano "legate" - fissate in un luogo particolare, piuttosto che propagarsi nello spazio e nel tempo - ed era difficile dire se altri effetti stessero contribuendo ai segnali visti dai ricercatori, ha detto Zhang.

Una "pistola fumante"

Negli ultimi esperimenti all'UCLA, UC-Davis e UC-Irvine, il team ha impilato film sottili di due materiali quantistici - un superconduttore e un isolante topologico magnetico - e ha inviato una corrente elettrica attraverso di essi, il tutto all'interno di una camera sottovuoto refrigerata.

Il film di punta era un superconduttore. Quello inferiore era un isolante topologico, che conduce corrente solo lungo la sua superficie o i suoi bordi ma non attraverso il suo centro. Metterli insieme ha creato un isolante topologico superconduttore, dove gli elettroni sfrecciano lungo due bordi della superficie del materiale senza resistenza, come le auto in autostrada.

È stata un'idea di Zhang modificare l'isolante topologico aggiungendovi una piccola quantità di materiale magnetico. Ciò ha fatto sì che gli elettroni fluissero in una direzione lungo un bordo della superficie e nella direzione opposta lungo il bordo opposto.

Quindi i ricercatori hanno spazzato un magnete sulla pila. Questo rallentava il flusso degli elettroni, fermati e cambia direzione. Questi cambiamenti non sono stati lisci, ma avvenne a passi bruschi, come scale identiche in una scala.

In alcuni punti di questo ciclo, Sono emerse quasiparticelle di Majorana, sorgendo a coppie dallo strato superconduttore e viaggiando lungo i bordi dell'isolante topologico proprio come facevano gli elettroni. Un membro di ogni coppia è stato deviato fuori dal percorso, consentendo ai ricercatori di misurare facilmente il flusso delle singole quasiparticelle che continuavano ad andare avanti. Come gli elettroni, hanno rallentato, si fermò e cambiò direzione, ma a passi esattamente la metà di quelli che prendevano gli elettroni.

Questi mezzi passaggi erano la prova fumante che i ricercatori stavano cercando.

È improbabile che i risultati di questi esperimenti abbiano alcun effetto sugli sforzi per determinare se il neutrino è la propria antiparticella, ha detto il professore di fisica di Stanford Giorgio Gratta, che ha svolto un ruolo importante nella progettazione e pianificazione di EXO-200.

"Le quasiparticelle che hanno osservato sono essenzialmente eccitazioni in un materiale che si comportano come particelle di Majorana, " Ha detto Gratta. "Ma non sono particelle elementari e sono fatte in modo molto artificiale in un materiale molto preparato. È molto improbabile che si verifichino nell'universo, anche se chi siamo noi per dire? D'altra parte, i neutrini sono ovunque, e se si scoprissero che sono particelle di Majorana dimostreremmo che la natura non solo ha reso possibile questo tipo di particelle ma, infatti, ha letteralmente riempito l'universo con loro."

Ha aggiunto, "La cosa più interessante è che le analogie in fisica si sono dimostrate molto potenti. E anche se sono animali molto diversi, processi diversi, forse possiamo usare uno per capire l'altro. Forse scopriremo qualcosa di interessante per noi, pure."

particella d'angelo

lontano nel futuro, Zhang ha detto, I fermioni di Majorana potrebbero essere usati per costruire robusti computer quantistici che non vengono espulsi dal rumore ambientale, che è stato un grande ostacolo al loro sviluppo. Poiché ogni Majorana è essenzialmente metà di una particella subatomica, un singolo qubit di informazione potrebbe essere immagazzinato in due fermioni di Majorana ampiamente separati, diminuendo la possibilità che qualcosa possa turbarli entrambi contemporaneamente e fargli perdere le informazioni che portano.

Per adesso, suggerisce un nome per il fermione chirale di Majorana scoperto dalla sua squadra:la "particella dell'angelo, " in riferimento al thriller più venduto del 2000 Angeli e demoni, in cui una confraternita segreta trama per far saltare in aria il Vaticano con una bomba a orologeria il cui potere esplosivo deriva dall'annientamento materia-antimateria. A differenza del libro, ha notato, nel mondo quantistico del fermione di Majorana ci sono solo angeli, nessun demone.