A caccia di particelle:è un gioco a cui giocano molti fisici. A volte la caccia si svolge all'interno di grandi supercollider, dove sono necessarie collisioni spettacolari per trovare particelle nascoste e nuova fisica. Per i fisici che studiano i solidi, il gioco si svolge in un ambiente molto diverso e le particelle ricercate non provengono da collisioni furiose. Anziché, entità simili a particelle, chiamate quasiparticelle, emergono da complicate interazioni elettroniche che avvengono in profondità all'interno di un materiale. A volte le quasiparticelle sono facili da sondare, ma altri sono più difficili da individuare, in agguato appena fuori portata.

Nuove misurazioni mostrano prove della presenza di particelle esotiche di Majorana sulla superficie di un superconduttore non convenzionale, Ditelluride di uranio. Grafica fornita dal Dr. E. Edwards, Amministratore delegato dell'Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST).

Ora un team di ricercatori dell'Università dell'Illinois, guidato dal fisico Vidya Madhavan, in collaborazione con ricercatori del National Institute of Standards and Technology, l'Università del Maryland, Boston College, e ETH Zurigo, hanno utilizzato strumenti di microscopia ad alta risoluzione per scrutare i meccanismi interni di un insolito tipo di superconduttore, ditelluride di uranio (UTe ₂ ). Le loro misurazioni rivelano una forte evidenza che questo materiale potrebbe essere la dimora naturale di una quasiparticella esotica che è stata nascosta ai fisici per decenni. Lo studio è pubblicato nel numero del 26 marzo di Natura .

Le particelle in questione furono teorizzate nel lontano 1937 da un fisico italiano di nome Ettore Majorana, e da allora, i fisici hanno cercato di dimostrare che possono esistere. Gli scienziati pensano che una particolare classe di materiali chiamati superconduttori chirali non convenzionali possa ospitare naturalmente Majorana. UTe ₂ può avere tutte le proprietà giuste per generare queste quasiparticelle sfuggenti.

"Conosciamo la fisica dei superconduttori convenzionali e capiamo come possono condurre elettricità o trasportare elettroni da un'estremità di un filo all'altra senza resistenza, "ha detto Madhavan. "I superconduttori chirali non convenzionali sono molto più rari, e la fisica è meno conosciuta. Comprenderli è importante per la fisica fondamentale e ha potenziali applicazioni nell'informatica quantistica, " lei disse.

All'interno di un normale superconduttore, gli elettroni si accoppiano in un modo che consente l'assenza di perdite, correnti persistenti. Questo è in contrasto con un normale conduttore, come filo di rame, che si riscalda al passaggio della corrente. Parte della teoria alla base della superconduttività è stata formulata decenni fa da tre scienziati dell'U di I che hanno vinto un premio Nobel per la fisica per il loro lavoro. Per questo tipo convenzionale di superconduttività, i campi magnetici sono il nemico e rompono le coppie, riportando il materiale alla normalità. Nel corso dell'ultimo anno, i ricercatori hanno dimostrato che il ditelluride di uranio si comporta in modo diverso.

Nel 2019, Sheng Ran, Nicholas Butch (entrambi coautori di questo studio) e i loro collaboratori hanno annunciato che UTe ₂ rimane superconduttore in presenza di campi magnetici fino a 65 Tesla, che è circa 10, 000 volte più forte di un magnete da frigorifero. Questo comportamento non convenzionale, combinato con altre misurazioni, ha portato gli autori di quell'articolo a supporre che gli elettroni si accoppiassero in un modo insolito che consentiva loro di resistere alle rotture. L'accoppiamento è importante perché i superconduttori con questa proprietà potrebbero molto probabilmente avere particelle di Majorana sulla superficie. Il nuovo studio di Madhavan e collaboratori rafforza la tesi.

Il team ha utilizzato un microscopio ad alta risoluzione chiamato microscopio a scansione a effetto tunnel per cercare prove dell'insolito accoppiamento di elettroni e delle particelle di Majorana. Questo microscopio non solo può mappare la superficie del ditellururo di uranio fino al livello degli atomi, ma anche sondare cosa sta succedendo con gli elettroni. Il materiale stesso è argenteo con gradini che sporgono dalla superficie. Queste caratteristiche del gradino sono le aree in cui si vede meglio l'evidenza delle quasiparticelle di Majorana. Forniscono un bordo pulito che, se le previsioni sono corrette, dovrebbe mostrare le firme di una corrente continua che si muove in una direzione, anche senza l'applicazione di una tensione. La squadra ha scansionato i lati opposti del gradino e ha visto un segnale con un picco. Ma il picco era diverso, a seconda di quale lato del passaggio è stato scansionato.

"Guardando da entrambi i lati del gradino, vedi un segnale che è un'immagine speculare l'uno dell'altro. In un normale superconduttore, non puoi trovarlo, " ha detto Madhavan. "La migliore spiegazione per vedere le immagini speculari è che stiamo misurando direttamente la presenza di particelle di Majorana in movimento, " ha detto Madhavan. Il team afferma che le misurazioni indicano che le quasiparticelle di Majorana in movimento libero circolano insieme in una direzione, dando origine a specchi, o chirale, segnali.

Madhavan dice che il prossimo passo è fare misurazioni che confermerebbero che il materiale ha rotto la simmetria di inversione del tempo. Ciò significa che le particelle dovrebbero muoversi diversamente se la freccia del tempo fosse teoricamente invertita. Tale studio fornirebbe ulteriori prove per la natura chirale di UTe ₂ .

Se confermato, il ditelluride di uranio sarebbe l'unico materiale, diverso dal superfluido He-3, dimostrato di essere un superconduttore chirale non convenzionale. "Questa è un'enorme scoperta che ci permetterà di comprendere questo raro tipo di superconduttività, e forse, in tempo, potremmo persino manipolare le quasiparticelle di Majorana in un modo utile per la scienza dell'informazione quantistica".