Le particelle di Majorana sono membri molto particolari della famiglia delle particelle elementari. Predetto per la prima volta nel 1937 dal fisico italiano Ettore Majorana, queste particelle appartengono al gruppo dei cosiddetti fermioni, un gruppo che comprende anche gli elettroni, neutroni e protoni. I fermioni di Majorana sono elettricamente neutri e hanno anche le proprie antiparticelle. Queste particelle esotiche possono, Per esempio, emergono come quasi-particelle nei superconduttori topologici e rappresentano i mattoni ideali per i computer quantistici topologici.

Verso due dimensioni

Sulla strada per questi computer quantistici topologici basati su quasi-particelle di Majorana, i fisici dell'Università di Würzburg insieme ai colleghi dell'Università di Harvard (USA) hanno fatto un passo importante:mentre i precedenti esperimenti in questo campo si sono concentrati principalmente su sistemi unidimensionali, le squadre di Würzburg e Harvard sono riuscite a passare ai sistemi bidimensionali.

In questa collaborazione, i gruppi di Ewelina Hankiewicz (Theoretische Physik IV) e Laurens Molenkamp (Experimentelle Physik III) dell'Università di Würzburg si sono uniti ai gruppi di Amir Yacoby e Bertrand Halperin dell'Università di Harvard. I loro risultati sono presentati nell'attuale numero della rivista scientifica Natura .

Due superconduttori possono semplificare le cose

"Realizzare i fermioni di Majorana è uno degli argomenti più studiati nella fisica della materia condensata, " dice Ewelina Hankiewicz. Secondo lei, le realizzazioni precedenti si sono solitamente concentrate su sistemi unidimensionali come i nanofili. Spiega che una manipolazione dei fermioni di Majorana è molto difficile in queste configurazioni. Richiederebbe quindi sforzi significativi per rendere i fermioni di Majorana in queste configurazioni eventualmente applicabili per il calcolo quantistico.

Per evitare alcune di queste difficoltà, i ricercatori hanno studiato i fermioni di Majorana in un sistema bidimensionale con un forte accoppiamento spin-orbita. "Il sistema che indaghiamo è una cosiddetta giunzione Josephson a controllo di fase, questo è, due superconduttori separati da una regione normale, " spiega Laurens Molenkamp. La differenza di fase del superconduttore tra i due superconduttori fornisce una manopola aggiuntiva, il che rende almeno in parte inutile un'intricata messa a punto degli altri parametri di sistema.

Un passo importante verso un migliore controllo

Nel materiale studiato, un quanto di tellururo di mercurio ben accoppiato ad alluminio a film sottile superconduttore, i fisici hanno osservato per la prima volta una transizione di fase topologica che implica la comparsa di fermioni di Majorana nelle giunzioni Josephson a fase controllata.

L'allestimento qui realizzato sperimentalmente costituisce una piattaforma versatile per la creazione, manipolazione e controllo dei fermioni di Majorana, che offre diversi vantaggi rispetto alle precedenti piattaforme unidimensionali. Secondo Hankiewicz, "questo è un passo importante verso un migliore controllo dei fermioni di Majorana". La dimostrazione del concetto di un superconduttore topologico basato su una giunzione Josephson bidimensionale apre nuove possibilità per la ricerca sui fermioni di Majorana nella fisica della materia condensata. In particolare, si possono evitare diversi vincoli delle precedenti realizzazioni dei fermioni di Majorana.

Potenziale rivoluzione nella tecnologia informatica

Allo stesso tempo, un migliore controllo dei fermioni di Majorana rappresenta un passo importante verso i computer quantistici topologici. Teoricamente, tali computer possono essere significativamente più potenti dei computer convenzionali. Hanno quindi il potenziale per rivoluzionare la tecnologia informatica.

Prossimo, i ricercatori hanno in programma di migliorare le giunzioni Josephson e spostarsi verso giunzioni con regioni normali più strette. Qui, sono attesi fermioni di Majorana più localizzati. Studiano ulteriormente ulteriori possibilità di manipolare i fermioni di Majorana, Per esempio, utilizzando altri semiconduttori.