Nell'ultimo esperimento del suo genere, i ricercatori hanno catturato le prove più convincenti fino ad oggi che particelle insolite si nascondono all'interno di un tipo speciale di superconduttore. Il risultato, che conferma le previsioni teoriche fatte per la prima volta quasi un decennio fa al Joint Quantum Institute (JQI) e all'Università del Maryland (UMD), sarà pubblicato nel numero del 5 aprile di Natura .

I clandestini, chiamate quasiparticelle di Majorana, sono diversi dalla materia ordinaria come gli elettroni o i quark, la sostanza che costituisce gli elementi della tavola periodica. A differenza di quelle particelle, che, per quanto ne sanno i fisici, non può essere scomposto in pezzi più elementari, Le quasiparticelle di Majorana derivano da schemi coordinati di molti atomi ed elettroni e appaiono solo in condizioni speciali. Sono dotati di caratteristiche uniche che possono consentire loro di formare la spina dorsale di un tipo di computer quantistico, e i ricercatori li inseguono da anni.

L'ultimo risultato è il più allettante finora per i cacciatori di Majorana, confermando molte previsioni teoriche e ponendo le basi per esperimenti più raffinati in futuro. Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno misurato la corrente elettrica che passa attraverso un semiconduttore ultrasottile collegato a una striscia di alluminio superconduttore, una ricetta che trasforma l'intera combinazione in un tipo speciale di superconduttore.

Esperimenti di questo tipo espongono il nanofilo a un forte magnete, che sblocca un modo in più per gli elettroni nel filo di organizzarsi a basse temperature. Con questa disposizione aggiuntiva si prevede che il filo ospiterà una quasiparticella di Majorana, e gli sperimentatori possono cercarne la presenza misurando attentamente la risposta elettrica del filo.

Il nuovo esperimento è stato condotto da ricercatori di QuTech presso l'Università tecnica di Delft nei Paesi Bassi e Microsoft Research, con campioni del materiale ibrido preparati presso l'Università della California, Santa Barbara e Eindhoven University of Technology nei Paesi Bassi. Gli sperimentatori hanno confrontato i loro risultati con i calcoli teorici del JQI Fellow Sankar Das Sarma e dello studente laureato JQI Chun-Xiao Liu.

Lo stesso gruppo a Delft ha visto sentori di Majorana nel 2012, ma l'effetto elettrico misurato non era così grande come la teoria aveva previsto. Ora l'effetto completo è stato osservato, e persiste anche quando gli sperimentatori fanno oscillare la forza dei campi magnetici o elettrici, una robustezza che fornisce prove ancora più forti che l'esperimento ha catturato un Majorana, come previsto in attente simulazioni teoriche da Liu.

"Abbiamo fatto molta strada dalla ricetta teorica del 2010 su come creare particelle di Majorana nei sistemi ibridi semiconduttore-superconduttore, "dice Das Sarma, un coautore dell'articolo che è anche direttore del Condensed Matter Theory Center dell'UMD. "Ma c'è ancora molta strada da fare prima di poter dichiarare la vittoria totale nella nostra ricerca di queste strane particelle".

Il successo arriva dopo anni di perfezionamenti nel modo in cui i ricercatori assemblano i nanofili, portando a un contatto più pulito tra il filo del semiconduttore e la striscia di alluminio. Nello stesso tempo, i teorici hanno acquisito informazioni sulle possibili firme sperimentali di Majoranas, lavoro che è stato introdotto da Das Sarma e da diversi collaboratori dell'UMD.

La teoria incontra l'esperimento

La ricerca per trovare quasiparticelle di Majorana in sottili fili quantistici è iniziata nel 2001, spronato da Alexei Kitaev, poi un fisico poi a Microsoft Research. Kitaev, che ora è al California Institute of Technology di Pasadena, inventato un sistema relativamente semplice ma irrealistico che potrebbe teoricamente ospitare un Majorana. Ma questo filo immaginario richiedeva un tipo specifico di superconduttività non disponibile in natura in commercio, e altri presto iniziarono a cercare modi per imitare l'aggeggio di Kitaev mescolando e abbinando i materiali disponibili.

Una sfida era capire come ottenere i superconduttori, che di solito fanno i loro affari con un numero pari di elettroni:due, quattro, sei, ecc.-per consentire anche un numero dispari di elettroni, una situazione normalmente instabile e che richiede energia extra per mantenersi. Il numero dispari è necessario perché le quasiparticelle di Majorana sono stravaganti sfacciate:si manifestano solo nel comportamento coordinato di un numero dispari di elettroni.

Nel 2010, quasi un decennio dopo l'articolo originale di Kitaev, Das Sarma, JQI Fellow Jay Deep Sau e il ricercatore postdottorato JQI Roman Lutchyn, insieme a un secondo gruppo di ricercatori, trovato un metodo per creare questi superconduttori speciali, e da allora ha guidato la ricerca sperimentale. Hanno suggerito di combinare un certo tipo di semiconduttore con un normale superconduttore e misurare la corrente attraverso l'intera cosa. Hanno predetto che la combinazione dei due materiali, insieme a un forte campo magnetico, avrebbe sbloccato l'accordo di Majorana e prodotto il materiale speciale di Kitaev.

Hanno anche predetto che un Majorana potrebbe rivelarsi nel modo in cui la corrente scorre attraverso un tale nanofilo. Se colleghi un normale semiconduttore a un filo metallico e una batteria, gli elettroni di solito hanno qualche possibilità di saltare dal filo sul semiconduttore e qualche possibilità di essere respinti:i dettagli dipendono dagli elettroni e dalla composizione del materiale. Ma se invece usi uno dei nanofili di Kitaev, accade qualcosa di completamente diverso. L'elettrone viene sempre riflesso perfettamente nel filo, ma non è più un elettrone. Diventa quello che gli scienziati chiamano un buco, fondamentalmente un punto nel metallo a cui manca un elettrone, e trasporta una carica positiva nella direzione opposta.

La fisica richiede che la corrente attraverso l'interfaccia sia conservata, il che significa che due elettroni devono finire nel superconduttore per bilanciare la carica positiva che si dirige nell'altra direzione. La cosa strana è che questo processo, che i fisici chiamano perfetto riflesso di Andreev, accade anche quando gli elettroni nel metallo non ricevono alcuna spinta verso il confine, cioè anche quando non sono collegati a una sorta di batteria. Questo è legato al fatto che una Majorana è la sua stessa antiparticella, il che significa che non costa energia per creare una coppia di Majorana nel nanofilo. La disposizione di Majorana offre ai due elettroni un po' di spazio di manovra in più e consente loro di attraversare il nanofilo come una coppia quantizzata, ovvero esattamente due alla volta.

"È l'esistenza di Majoranas che dà origine a questa conduttanza differenziale quantizzata, "dice Liu, che ha eseguito simulazioni numeriche per prevedere i risultati degli esperimenti sul cluster di supercomputer Deepthought2 dell'UMD. "E una tale quantizzazione dovrebbe essere robusta anche a piccoli cambiamenti nei parametri sperimentali, come mostra il vero esperimento."

Gli scienziati si riferiscono a questo stile di esperimento come spettroscopia a effetto tunnel perché gli elettroni stanno seguendo un percorso quantistico attraverso il nanofilo verso l'altro lato. È stato al centro dei recenti sforzi per catturare Majoranas, ma ci sono altri test che potrebbero rivelare più direttamente le proprietà esotiche delle particelle, test che confermerebbero pienamente che i Majorana sono davvero lì.

"Questo esperimento è un grande passo avanti nella nostra ricerca di queste esotiche e sfuggenti particelle Majorana, mostrando il grande progresso fatto nel miglioramento dei materiali negli ultimi cinque anni, " Dice Das Sarma. "Sono convinto che queste strane particelle esistano in questi nanofili, ma solo una misurazione non locale che stabilisca la fisica sottostante può rendere l'evidenza definitiva".