Un rapporto del 2017 sulla scoperta di un particolare tipo di fermione di Majorana:il fermione chirale di Majorana, indicato come "particella d'angelo" - è probabilmente un falso allarme, secondo nuove ricerche. I fermioni di Majorana sono particelle enigmatiche che agiscono come la propria antiparticella e sono state ipotizzate per la prima volta nel 1937. Sono di immenso interesse per i fisici perché le loro proprietà uniche potrebbero consentire loro di essere utilizzate nella costruzione di un computer quantistico topologico.

Un team di fisici della Penn State e dell'Università di Wurzburg in Germania guidato da Cui-Zu Chang, un assistente professore di fisica alla Penn State ha studiato oltre tre dozzine di dispositivi simili a quello utilizzato per produrre la particella angelica nel rapporto del 2017. Hanno scoperto che la caratteristica che si diceva fosse la manifestazione della particella angelica era improbabile che fosse indotta dall'esistenza della particella angelica. Un documento che descrive la ricerca appare il 3 gennaio, 2020 sulla rivista Scienza .

"Quando il fisico italiano Ettore Majorana predisse la possibilità di una nuova particella fondamentale che è la sua stessa antiparticella, non avrebbe potuto immaginare le implicazioni di lunga durata della sua idea fantasiosa, " disse Nitin Samarth, Capo del dipartimento di Downsbrough e professore di fisica alla Penn State. "Oltre 80 anni dopo la previsione di Majorana, i fisici continuano a cercare attivamente le firme dell'ancora sfuggente "fermione di Majorana" in diversi angoli dell'universo".

In uno di questi sforzi, i fisici delle particelle stanno usando osservatori sotterranei che cercano di dimostrare se la particella fantasma nota come neutrino, una particella subatomica che raramente interagisce con la materia, potrebbe essere un fermione di Majorana. Su un fronte completamente diverso, i fisici della materia condensata stanno cercando di scoprire manifestazioni della fisica di Majorana in dispositivi a stato solido che combinano materiali quantistici esotici con superconduttori. In tali dispositivi, si teorizza che gli elettroni si vestano come fermioni di Majorana cucendo insieme un tessuto costruito da aspetti fondamentali della meccanica quantistica, fisica relativistica, e topologia. Questa versione analoga dei fermioni di Majorana ha particolarmente catturato l'attenzione dei fisici della materia condensata perché può fornire un percorso per la costruzione di un "computer quantistico topologico" i cui qubit (versioni quantistiche di 0 e 1 binari) sono intrinsecamente protetti dalla decoerenza ambientale - la perdita di informazioni che risultano quando un sistema quantistico non è perfettamente isolato e costituisce un grosso ostacolo nello sviluppo dei computer quantistici.

"Un primo passo importante verso questo lontano sogno di creare un computer quantistico topologico è dimostrare prove sperimentali definitive dell'esistenza dei fermioni di Majorana nella materia condensata, " disse Chang. "Negli ultimi sette anni circa, diversi esperimenti hanno affermato di mostrare tali prove, ma l'interpretazione di questi esperimenti è ancora dibattuta."

Il team ha studiato dispositivi formati da un materiale quantistico noto come "isolatore quantistico anomalo di Hall" in cui la corrente elettrica scorre solo ai margini. Uno studio recente ha previsto che quando la corrente di bordo è in contatto pulito con un superconduttore, vengono creati fermioni chirali di Majorana propaganti e la conduttanza elettrica del dispositivo deve essere "semiquantizzata" (un valore di e2/2h dove "e" è la carica dell'elettrone e "h" è la costante di Planck), quando soggetto a un preciso campo magnetico. Il team di Penn State-Wurzburg ha studiato oltre tre dozzine di dispositivi con diverse configurazioni di materiali e ha scoperto che i dispositivi con un contatto superconduttore pulito mostrano sempre il valore semiquantizzato indipendentemente dalle condizioni del campo magnetico. Ciò si verifica perché il superconduttore si comporta come un cortocircuito elettrico e quindi non è indicativo della presenza del fermione di Majorana.

"Il fatto che due laboratori, a Penn State e a Wurzburg, abbiano trovato risultati completamente coerenti utilizzando un'ampia varietà di configurazioni di dispositivi getta seri dubbi sulla validità della geometria sperimentale teoricamente proposta e mette in dubbio l'affermazione del 2017 di osservare la particella angelica, " disse Moses Chan, Anche Pugh Professor Emerito di Fisica alla Penn State.

"Rimango ottimista sul fatto che la combinazione di isolanti di Hall anomali quantistici e superconduttività sia uno schema attraente per realizzare Majorana chirali, " disse Morteza Kayyalha, un ricercatore post-dottorato presso la Penn State che ha effettuato la fabbricazione e le misurazioni del dispositivo. "Ma i nostri colleghi teorici devono ripensare alla geometria del dispositivo".

"Questa è un'eccellente illustrazione di come dovrebbe funzionare la scienza, " ha detto Samarth. "Le affermazioni straordinarie di scoperta devono essere attentamente esaminate e riprodotte. Tutti i nostri dottorandi e studenti hanno lavorato duramente per assicurarsi di eseguire test molto rigorosi sulle affermazioni passate. Ci stiamo anche assicurando che tutti i nostri dati e metodi siano condivisi in modo trasparente con la comunità in modo che i nostri risultati possano essere valutati criticamente dai colleghi interessati".