Un gruppo di ricerca danese-americano ha dimostrato che è possibile produrre particelle di Majorana in un nuovo materiale da costruzione. La ricerca, guidato da scienziati dell'istituto Niels Bohr, Università di Copenaghen, spiana la strada a nuovi tipi di sperimentazioni e allo stesso tempo rappresenta un importante contributo alla costruzione dei circuiti informativi di domani.

Da quando Ettore Majorana - mitico e leggendario fisico italiano - nel lontano 1937 suggerì l'esistenza di una particella che è anche la sua stessa antiparticella, scienziati hanno cercato la "particella Majorana, " com'è è diventato noto.

Finora la ricerca è stata inutile

Un team di scienziati del Center for Quantum Devices del Niels Bohr Institute (NBI) e della Purdue University, STATI UNITI D'AMERICA, hanno, tuttavia, recentemente contribuito al progresso della ricerca Majorana.

Non trovando la particella sfuggente stessa, ma capendo come produrre un materiale in cui gli elettroni si comportano secondo le previsioni teoriche per le particelle di Majorana.

I risultati del progetto di ricerca sono pubblicati nel numero di questa settimana della rivista scientifica Lettere di revisione fisica .

Nessun addebito

Un'antiparticella è una particella elementare, identica alla sua "controparte, " ma con carica elettrica opposta. Come si vede nella relazione tra elettroni caricati negativamente e positroni caricati positivamente.

Se una particella è anche la sua stessa antiparticella, che, dato che esiste davvero, sarà il caso di una particella di Majorana, quindi non avrà alcuna carica.

Le proprietà che, secondo i calcoli di Ettore Majorana, caratterizzerà una particella di Majorana per una serie di ragioni che affascinano gli scienziati. Ovviamente perché tali proprietà 'impacchettate' in una particella rappresenteranno nuove possibilità sperimentali. Ma anche perché si ritiene che le proprietà di Majorana siano utili quando gli scienziati, ad es. tentare di costruire computer quantistici, ad es. i circuiti informativi di domani che avranno la capacità di elaborare carichi di dati lontani, molto più pesanti di quelli trattati dai nostri attuali super computer.

In tutto il mondo gli scienziati stanno cercando di progettare computer quantistici.

È una gara - il Center for Quantum Devices dell'NBI è uno dei concorrenti - e l'assistente professore Fabrizio Nichele e il professor Charles Marcus, entrambi in rappresentanza del centro NBI, sono stati responsabili del progetto di ricerca danese-americano.

"La versione condensata è che è possibile produrre un materiale in cui gli elettroni si comportano come particelle di Majorana, come suggeriscono i nostri esperimenti, e che è possibile produrre questo materiale mediante tecniche piuttosto simili a quelle utilizzate oggi nella produzione di circuiti per computer. Inoltre, abbiamo mostrato come questo materiale ci consente di misurare proprietà di particelle di Majorana mai misurate prima e di eseguire queste misurazioni con grande precisione, " spiega Fabrizio Nichele.

Design del computer portatile

Due fogli ultrasottili, uniti in un sandwich, sono al centro della scoperta danese-americana, e tutto ha a che fare con la produzione di un materiale basato su questo sandwich".

Lo strato inferiore del "sandwich" è costituito da arseniuro di indio, un semiconduttore, e lo strato superiore è in alluminio, un superconduttore. E il "sandwich" si trova sopra un cosiddetto wafer, uno degli elementi costitutivi utilizzati nella moderna tecnologia informatica.

Se si ritaglia un nano filo da questo strato di "sandwich" è possibile creare uno stato in cui gli elettroni all'interno del filo mostrano le proprietà di Majorana e la teoria alla base di questo approccio è in parte nota dal 2010, dice Fabrizio Nichele:

"Però, fino ad ora c'è stato un grosso problema perché era necessario "coltivare" il nano filo in macchine speciali in un laboratorio - e il filo era, letteralmente, disponibile solo sotto forma di minuscole cannucce "simili a un capello". Per costruire ad es. un chip basato su questo materiale, dovevi quindi assemblare un numero quasi insondabile di singole cannucce, il che rendeva davvero difficile e molto impegnativo costruire circuiti in questo modo."

Ed è proprio qui che entra in gioco la scoperta danese-americana, spiega Fabrizio Nichele:"Ora siamo in grado di progettare il nanocavo su un laptop e includere i dettagli che cerchiamo. Più avanti la capacità di produzione aumenterà senza dubbio, il che ci consentirà di utilizzare questa tecnica per costruire computer di notevoli dimensioni».

Strada più veloce per Majorana

Al Centro per i dispositivi quantistici dell'NBI, il focus è molto sulla costruzione di un computer quantistico. Eppure è un lungo raggio:il computer quantistico non è affatto dietro l'angolo, dice Fabrizio

Nichele:"I materiali con proprietà Majorana hanno ovviamente una serie di qualità rilevanti in questo contesto, motivo per cui cerchiamo di indagare su questo campo attraverso vari esperimenti".

Alcuni di questi esperimenti vengono condotti a temperature appena sopra lo zero assoluto (-273, 15C), spiega Fabrizio Nichele:"Quando lo fai, che naturalmente richiede attrezzature su misura per esperimenti di questo tipo, sei in grado di studiare i dettagli relativi alle proprietà quantistiche in vari materiali. Quando si tratta di costruire un computer quantistico, Le particelle di Majorana fanno, però, rappresentano solo una delle numerose opzioni possibili e promettenti. Questo campo è molto complesso e quando, un giorno, un computer quantistico è stato effettivamente costruito ed è attivo e funzionante, può benissimo essere basato su una qualche forma di integrazione di una serie di tecniche diverse e materiali diversi, alcuni dei quali possono essere basati sulla nostra ricerca, "dice Fabrizio Nichele.

Scienziati che lavorano con le equazioni di Ettore Majoranas per ragioni completamente diverse dal desiderio di costruire un computer quantistico, possono anche beneficiare della ricerca danese-americana, spiega Fabrizio Nichele:

"La nostra tecnica consente di condurre esperimenti che fino ad ora non sono stati fattibili, il che faciliterà anche la comprensione della particella di Majorana stessa".

Il progetto di ricerca è stato finanziato dalla Danish National Research Foundation, la Fondazione Villum, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) e, in rappresentanza della parte commerciale dei donatori, Microsoft; quest'ultimo ha aderito al progetto nell'ambito di una consolidata collaborazione con NBI.

Oltre a collaborare con i colleghi della Purdue University, i ricercatori dell'NBI hanno anche recentemente studiato le proprietà di Majorana lavorando insieme a scienziati dell'Università della California, Santa Barbara, STATI UNITI D'AMERICA. I risultati di questo progetto sono pubblicati in un articolo separato in Lettere di revisione fisica .