Un microscopio a effetto tunnel (STM) è stato utilizzato per visualizzare quasiparticelle di Majorana (picchi verdi) che si verificano alle estremità dei canali di bordo topologici (regioni gialle) ai passaggi atomici di un film sottile di bismuto cresciuto su una superficie superconduttiva. Piccoli ammassi magnetici sono visti come piccole protuberanze che decorano l'angolo di questi bordi. Alle interfacce tra i cluster magnetici e il canale di bordo, esperimenti hanno rilevato robuste quasiparticelle di Majorana, ma solo quando la magnetizzazione del cluster punta lungo il canale. Credito:Yazdani Lab presso la Princeton University
Misterioso come lo scienziato italiano da cui prende il nome, la particella Majorana è una delle ricerche più avvincenti della fisica.
La sua fama deriva dalle sue strane proprietà - è l'unica particella che è la sua stessa antiparticella - e dal suo potenziale per essere sfruttata per il futuro calcolo quantistico.
Negli ultimi anni, una manciata di gruppi tra cui una squadra a Princeton hanno riferito di aver trovato il Majorana in vari materiali, ma la sfida è come manipolarlo per il calcolo quantistico.
In un nuovo studio pubblicato questa settimana, il team di Princeton segnala un modo per controllare le quasiparticelle di Majorana in un ambiente che le rende anche più robuste. L'ambientazione, che combina un superconduttore e un materiale esotico chiamato isolante topologico, rende Majoranas particolarmente resistente alla distruzione causata dal calore o dalle vibrazioni dall'ambiente esterno. Inoltre, il team ha dimostrato un modo per accendere o spegnere il Majorana utilizzando piccoli magneti integrati nel dispositivo. Il rapporto è apparso sulla rivista Scienza .
"Con questo nuovo studio ora abbiamo un nuovo modo di progettare le quasiparticelle di Majorana nei materiali, "ha detto Ali Yazdani, Classe 1909 Professore di Fisica e autore senior dello studio. "Possiamo verificare la loro esistenza tramite immagini e possiamo caratterizzare le loro proprietà previste".
Il Majorana prende il nome dal fisico Ettore Majorana, che predisse l'esistenza della particella nel 1937 appena un anno prima di scomparire misteriosamente durante un viaggio in traghetto al largo delle coste italiane. Basandosi sulla stessa logica con cui il fisico Paul Dirac predisse nel 1928 che l'elettrone doveva avere un'antiparticella, successivamente identificato come il positrone, Majorana ha teorizzato l'esistenza di una particella che è la propria antiparticella.
Tipicamente quando materia e antimateria si uniscono, si annientano a vicenda in un violento rilascio di energia, ma i Majorana, quando appaiono come coppie ciascuna alle due estremità di fili appositamente progettati, possono essere relativamente stabili e interagire debolmente con il loro ambiente. Le coppie consentono la memorizzazione di informazioni quantistiche in due posizioni distinte, rendendoli relativamente robusti contro i disturbi perché cambiare lo stato quantistico richiede operazioni su entrambe le estremità del filo contemporaneamente.
Questa capacità ha affascinato i tecnologi che immaginano un modo per creare bit quantistici, le unità dell'informatica quantistica, più robusti degli approcci attuali. I sistemi quantistici sono apprezzati per il loro potenziale nell'affrontare problemi impossibili da risolvere con i computer di oggi, ma richiedono il mantenimento di uno stato fragile chiamato sovrapposizione, che se interrotto, può causare errori di sistema.
Un computer quantistico basato su Majorana memorizzerebbe le informazioni in coppie di particelle ed effettuerebbe il calcolo intrecciandole l'una intorno all'altra. I risultati del calcolo sarebbero determinati dall'annientamento di Majoranas l'uno con l'altro, che può provocare la comparsa di un elettrone (rilevato dalla sua carica) o nulla, a seconda di come è stata intrecciata la coppia di Majorana. L'esito probabilistico dell'annientamento della coppia di Majorana è alla base del suo utilizzo per il calcolo quantistico.
La sfida è come creare e controllare facilmente Majoranas. Uno dei posti in cui possono esistere è alle estremità di una catena di atomi magnetici dello spessore di un singolo atomo su un letto superconduttore. Nel 2014, informare Scienza , Yazdani e collaboratori hanno utilizzato un microscopio a effetto tunnel (STM), in cui una punta viene trascinata sugli atomi per rivelare la presenza di quasiparticelle, trovare Majorana ad entrambe le estremità di una catena di atomi di ferro appoggiati sulla superficie di un superconduttore.
Il team ha continuato a rilevare lo "spin" quantistico di Majorana " una proprietà condivisa da elettroni e altre particelle subatomiche. In un rapporto pubblicato su Science nel 2017, il team ha affermato che la proprietà di spin di Majorana è un segnale unico con cui determinare che una quasiparticella rilevata è davvero un Majorana.
In questo ultimo studio, il team ha esplorato un altro luogo previsto per trovare Majoranas:nel canale che si forma sul bordo di un isolante topologico quando viene posto in contatto con un superconduttore. I superconduttori sono materiali in cui gli elettroni possono viaggiare senza resistenza, e gli isolanti topologici sono materiali in cui gli elettroni scorrono solo lungo i bordi.
La teoria prevede che le quasiparticelle di Majorana possano formarsi sul bordo di un sottile foglio di isolante topologico che entra in contatto con un blocco di materiale superconduttore. La vicinanza del superconduttore induce gli elettroni a fluire senza resistenza lungo il bordo dell'isolante topologico, che è così sottile che può essere pensato come un filo. Poiché Majoranas si forma alla fine dei fili, dovrebbe essere possibile farli apparire tagliando il filo.
"Era una previsione, ed è stato semplicemente seduto lì per tutti questi anni, " ha detto Yazdani. "Abbiamo deciso di esplorare come si potrebbe effettivamente realizzare questa struttura a causa del suo potenziale per realizzare Majorana che sarebbero più resistenti alle imperfezioni del materiale e alla temperatura".
Il team ha costruito la struttura facendo evaporare un sottile foglio di isolante topologico di bismuto sopra un blocco di superconduttore di niobio. Hanno posizionato bit di memoria magnetica di dimensioni nanometriche sulla struttura per fornire un campo magnetico, che fa deragliare il flusso di elettroni, producendo lo stesso effetto del taglio del filo. Hanno usato STM per visualizzare la struttura.
Quando usano il microscopio per cacciare il Majorana, però, i ricercatori erano inizialmente perplessi da ciò che vedevano. Qualche volta videro apparire il Majorana, e altre volte non riuscivano a trovarlo. Dopo un'ulteriore esplorazione si sono resi conto che il Majorana appare solo quando i piccoli magneti sono magnetizzati nella direzione parallela alla direzione del flusso di elettroni lungo il canale.
"Quando abbiamo iniziato a caratterizzare i piccoli magneti, ci siamo resi conto che sono il parametro di controllo, " ha detto Yazdani. "Il modo in cui è orientata la magnetizzazione della punta determina se il Majorana appare o meno. È un interruttore on-off".
Il team ha riferito che la quasiparticella di Majorana che si forma in questo sistema è abbastanza robusta perché si verifica a energie distinte dalle altre quasiparticelle che possono esistere nel sistema. La robustezza deriva anche dalla sua formazione in modalità topologica-edge, che è intrinsecamente resistente alla rottura. I materiali topologici derivano il loro nome dalla branca della matematica che descrive come gli oggetti possono essere deformati stirandosi o piegandosi. Gli elettroni che fluiscono in un materiale topologico continueranno quindi a muoversi attorno a qualsiasi ammaccatura o imperfezione.
