I ricercatori della Princeton University hanno rilevato una proprietà quantistica unica di una particella sfuggente nota per comportarsi simultaneamente come materia e antimateria. La particella, noto come fermione di Majorana, è apprezzato dai ricercatori per il suo potenziale nell'aprire le porte a nuove possibilità di calcolo quantistico.

Nello studio pubblicato questa settimana sulla rivista Scienza , il team di ricerca ha descritto come hanno migliorato una tecnica di imaging esistente, chiamata microscopia a effetto tunnel, per catturare segnali dalla particella Majorana alle due estremità di un filo di ferro atomicamente sottile teso sulla superficie di un cristallo di piombo. Il loro metodo prevedeva il rilevamento di una proprietà quantistica distintiva nota come spin, che è stato proposto per trasmettere informazioni quantistiche in circuiti che contengono la particella di Majorana.

"La proprietà di spin di Majoranas li distingue da altri tipi di quasi-particelle che emergono nei materiali, "ha detto Ali Yazdani, Classe di Princeton del 1909 Professore di fisica. "Il rilevamento sperimentale di questa proprietà fornisce una firma unica di questa particella esotica".

La scoperta si basa sulla scoperta del 2014 del team, pubblicato anche su Scienza , del fermione di Majorana in una catena di atomi di ferro a livello di un singolo atomo in cima a un substrato di piombo. In quello studio, il microscopio a scansione a effetto tunnel è stato utilizzato per visualizzare Majoranas per la prima volta, ma non ha fornito altre misurazioni delle loro proprietà.

"Il nostro scopo è stato quello di sondare alcune delle proprietà quantistiche specifiche di Majoranas. Tali esperimenti forniscono non solo un'ulteriore conferma della loro esistenza nelle nostre catene, ma apri possibili modi per usarli." ha detto Yazdani.

Teorizzato per la prima volta alla fine degli anni '30 dal fisico italiano Ettore Majorana, la particella è affascinante perché agisce come la sua stessa antiparticella. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno capito che possono progettare fili unidimensionali, come le catene di atomi sulla superficie superconduttiva nel presente studio, per far emergere nei solidi i fermioni di Majorana. In questi fili, Majoranas si presentano come coppie alle due estremità delle catene, purché le catene siano abbastanza lunghe da permettere ai Majorana di stare abbastanza distanti da non annientarsi a vicenda. In un sistema di calcolo quantistico, le informazioni potrebbero essere memorizzate contemporaneamente a entrambe le estremità del filo, fornendo una robustezza contro le interruzioni esterne agli stati quantistici intrinsecamente fragili.

Precedenti sforzi sperimentali per rilevare Majoranas hanno sfruttato il fatto che si tratta sia di una particella che di un'antiparticella. La firma rivelatrice è chiamata picco a polarizzazione zero in una misurazione di tunneling quantistico. Ma gli studi hanno dimostrato che tali segnali potrebbero verificarsi anche a causa di una coppia di quasiparticelle ordinarie che possono emergere nei superconduttori. Professore di Fisica Andrei Bernevig e il suo team, che con il gruppo di Yazdani ha proposto la piattaforma della catena atomica, ha sviluppato la teoria che ha mostrato che le misurazioni spin-polarizzate effettuate utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel possono distinguere tra la presenza di una coppia di quasi-particelle ordinarie e un Majorana.

Tipicamente, La microscopia a effetto tunnel (STM) comporta il trascinamento di un elettrodo a punta fine su una struttura, in questo caso la catena di atomi di ferro, e rilevando le sue proprietà elettroniche, da cui si può costruire un'immagine. Per eseguire misurazioni sensibili allo spin, i ricercatori creano elettrodi che sono magnetizzati in diversi orientamenti. Queste misurazioni STM "spin-polarizzate" hanno rivelato firme che concordano con i calcoli teorici di Bernevig e del suo team.

"Si scopre che, a differenza del caso di una quasi-particella convenzionale, la rotazione del Majorana non può essere esclusa dallo sfondo. In questo senso è una cartina di tornasole per la presenza dello stato Majorana, " ha detto Bernevig.

La proprietà dello spin quantistico di Majorana potrebbe anche renderli più utili per le applicazioni nell'informazione quantistica. Per esempio, i fili con Majorana alle due estremità possono essere utilizzati per trasferire informazioni tra bit quantistici lontani che si basano sullo spin degli elettroni. L'entanglement degli spin di elettroni e Majoranas potrebbe essere il prossimo passo per sfruttare le loro proprietà per il trasferimento di informazioni quantistiche.