La combinazione di diverse fasi dell'acqua:ghiaccio solido, acqua liquida, e vapore acqueo, richiederebbe un certo sforzo per ottenere sperimentalmente. Ad esempio, se volessi mettere il ghiaccio accanto al vapore, dovresti raffreddare continuamente l'acqua per mantenere la fase solida mentre riscaldarla per mantenere la fase gassosa.

Per i fisici della materia condensata, questa capacità di creare condizioni diverse nello stesso sistema è auspicabile perché spesso emergono fenomeni e proprietà interessanti alle interfacce tra due fasi. Di interesse attuale sono le condizioni in cui i fermioni di Majorana potrebbero apparire vicino a questi confini.

I fermioni di Majorana sono eccitazioni simili a particelle chiamate quasiparticelle che emergono come risultato del frazionamento (scissione) dei singoli elettroni in due metà. In altre parole, un elettrone diventa una coppia entangled (connessa) di due quasiparticelle di Majorana, con il collegamento che persiste indipendentemente dalla distanza tra loro. Gli scienziati sperano di utilizzare i fermioni di Majorana che sono fisicamente separati in un materiale per memorizzare in modo affidabile le informazioni sotto forma di qubit, gli elementi costitutivi dei computer quantistici. Le proprietà esotiche dei Majorana, compresa la loro elevata insensibilità ai campi elettromagnetici e ad altri "rumore" ambientale, li rendono candidati ideali per trasportare informazioni su lunghe distanze senza perdite.

Però, ad oggi, I fermioni di Majorana sono stati realizzati solo in materiali in condizioni estreme, anche a temperature gelide vicine allo zero assoluto (-459 gradi Fahrenheit) e sotto elevati campi magnetici. E sebbene siano "topologicamente" protetti dalle impurità atomiche locali, disturbo, e difetti presenti in tutti i materiali (ad es. le loro proprietà spaziali rimangono le stesse anche se il materiale viene piegato, contorto, allungato, o altrimenti distorto), non sopravvivono a forti perturbazioni. Inoltre, l'intervallo di temperature su cui possono operare è molto ristretto. Per queste ragioni, I fermioni di Majorana non sono ancora pronti per l'applicazione tecnologica pratica.

Ora, un team di fisici guidato dal Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e che include collaboratori dalla Cina, Germania, ei Paesi Bassi hanno proposto un nuovo metodo teorico per produrre fermioni di Majorana più robusti. Secondo i loro calcoli, come descritto in un articolo pubblicato il 15 gennaio in Lettere di revisione fisica , questi Majorana emergono a temperature più elevate (di molti ordini di grandezza) e sono in gran parte insensibili al disordine e al rumore. Anche se non sono topologicamente protetti, possono persistere se le perturbazioni cambiano lentamente da un punto all'altro nello spazio.

"I nostri calcoli numerici e analitici forniscono la prova che i fermioni di Majorana esistono nei confini di materiali magnetici con diverse fasi magnetiche, o direzioni di spin degli elettroni, posizionati uno accanto all'altro, " ha detto il co-autore Alexei Tsvelik, scienziato senior e leader del Condensed Matter Theory Group nel dipartimento di fisica e scienza dei materiali (CMPMS) del Brookhaven Lab. "Abbiamo anche determinato il numero di fermioni di Majorana che dovresti aspettarti di ottenere se combini determinate fasi magnetiche".

Per il loro studio teorico, gli scienziati si sono concentrati su materiali magnetici chiamati scale di spin, che sono cristalli formati da atomi con struttura tridimensionale (3-D) suddivisi in coppie di catene che sembrano delle scale. Sebbene gli scienziati abbiano studiato le proprietà dei sistemi a scala di spin per molti anni e si aspettassero che avrebbero prodotto fermioni di Majorana, non sapevano quanti. Per eseguire i loro calcoli, hanno applicato il quadro matematico della teoria quantistica dei campi per descrivere la fisica fondamentale delle particelle elementari, e un metodo numerico (gruppo di rinormalizzazione della matrice di densità) per simulare sistemi quantistici i cui elettroni si comportano in modo fortemente correlato.

"Siamo rimasti sorpresi nell'apprendere che per determinate configurazioni di fasi magnetiche possiamo generare più di un fermione di Majorana a ciascun confine, ", ha affermato il coautore e presidente del dipartimento CMPMS Robert Konik.

Affinché i fermioni di Majorana siano praticamente utili nell'informatica quantistica, devono essere generati in gran numero. Gli esperti di informatica ritengono che la soglia minima alla quale i computer quantistici saranno in grado di risolvere problemi che i computer classici non possono essere di 100 qubit. I fermioni di Majorana devono anche essere mobili in modo tale da potersi impigliare.

Il team prevede di proseguire lo studio teorico con esperimenti che utilizzano sistemi ingegnerizzati come punti quantici (particelle semiconduttrici nanometriche) o ioni intrappolati (confinati). Rispetto alle proprietà dei materiali reali, quelli di quelli ingegnerizzati possono essere più facilmente sintonizzati e manipolati per introdurre i diversi confini di fase in cui possono emergere i fermioni di Majorana.

"Di cosa sarà fatta la prossima generazione di computer quantistici non è chiaro in questo momento, " ha detto Konik. "Stiamo cercando di trovare alternative migliori ai superconduttori a bassa temperatura dell'attuale generazione, simile a come il silicio ha sostituito il germanio nei transistor. Siamo in una fase così iniziale che dobbiamo esplorare ogni possibilità disponibile".