I fisici al MIT e altrove hanno osservato prove di fermioni di Majorana - particelle che si teorizza essere anche la loro stessa antiparticella - sulla superficie di un metallo comune:l'oro. Questo è il primo avvistamento di fermioni di Majorana su una piattaforma potenzialmente scalabile. I risultati, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , sono un passo importante verso l'isolamento delle particelle come stabili, qubit a prova di errore per il calcolo quantistico.

Nella fisica delle particelle, i fermioni sono una classe di particelle elementari che include elettroni, protoni, neutroni, e quark, tutto ciò costituisce gli elementi costitutivi della materia. Per la maggior parte, queste particelle sono considerate fermioni di Dirac, dopo il fisico inglese Paul Dirac, che per primo predisse che tutte le particelle fondamentali fermioniche avrebbero dovuto avere una controparte, da qualche parte nell'universo, sotto forma di un'antiparticella, essenzialmente, un gemello identico di carica opposta.

Nel 1937, il fisico teorico italiano Ettore Majorana ha esteso la teoria di Dirac, prevedendo che tra i fermioni, ci dovrebbero essere alcune particelle, da allora chiamati fermioni di Majorana, che sono indistinguibili dalle loro antiparticelle. Misteriosamente, il fisico è scomparso durante un viaggio in traghetto al largo delle coste italiane appena un anno dopo aver fatto la sua previsione. Da allora gli scienziati hanno cercato l'enigmatica particella di Majorana. È stato suggerito, ma non dimostrato, che il neutrino può essere una particella di Majorana. D'altra parte, i teorici hanno previsto che i fermioni di Majorana possono esistere anche nei solidi in condizioni speciali.

Ora il team guidato dal MIT ha osservato prove di fermioni di Majorana in un sistema materiale che hanno progettato e fabbricato, che consiste di nanofili d'oro cresciuti su un materiale superconduttore, vanadio, e punteggiato di piccoli, "isole" ferromagnetiche di solfuro di europio. Quando i ricercatori hanno scansionato la superficie vicino alle isole, hanno visto picchi di segnale firma vicino a zero energia sulla superficie molto superiore dell'oro che, secondo la teoria, dovrebbe essere generato solo da coppie di fermioni di Majorana.

"I ferminon Majorana sono queste cose esotiche, che è stato a lungo un sogno da vedere, e ora li vediamo in un materiale molto semplice:oro, "dice Jagadeesh Moodera, un ricercatore senior presso il Dipartimento di Fisica del MIT. "Abbiamo dimostrato che ci sono, e stabile, e facilmente scalabile."

"La prossima spinta sarà prendere questi oggetti e trasformarli in qubit, che sarebbe un enorme progresso verso l'informatica quantistica pratica, " aggiunge il co-autore Patrick Lee, il professore di fisica William ed Emma Rogers al MIT.

I coautori di Lee e Moodera includono l'ex postdoc del MIT e primo autore Sujit Manna (attualmente alla facoltà dell'Indian Institute of Technology di Delhi), e l'ex postdoc del MIT Peng Wei dell'Università della California a Riverside, insieme a Yingming Xie e Kam Tuen Law della Hong Kong University of Science and Technology.

Alto rischio

Se potessero essere imbrigliati, I fermioni di Majorana sarebbero ideali come qubit, o singole unità computazionali per computer quantistici. L'idea è che un qubit sarebbe composto da combinazioni di coppie di fermioni di Majorana, ciascuno dei quali sarebbe separato dal suo partner. Se gli errori di rumore interessano un membro della coppia, l'altro dovrebbe rimanere inalterato, preservando così l'integrità del qubit e consentendogli di eseguire correttamente un calcolo.

Gli scienziati hanno cercato i fermioni di Majorana nei semiconduttori, i materiali utilizzati in convenzionale, calcolo basato su transistor. Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno combinato semiconduttori con superconduttori, materiali attraverso i quali gli elettroni possono viaggiare senza resistenza. Questa combinazione conferisce proprietà superconduttive ai semiconduttori convenzionali, che i fisici ritengono dovrebbe indurre le particelle nel semiconduttore a dividersi, formando la coppia di fermioni di Majorana.

"Ci sono diverse piattaforme materiali in cui le persone credono di aver visto particelle di Majorana, " dice Lee. "Le prove sono sempre più forti, ma non è ancora provato al 100%".

Cosa c'è di più, le configurazioni basate su semiconduttori fino ad oggi sono state difficili da scalare per produrre le migliaia o milioni di qubit necessari per un pratico computer quantistico, perché richiedono la crescita di cristalli di materiale semiconduttore molto precisi ed è molto difficile trasformarli in superconduttori di alta qualità.

Circa un decennio fa, Lee, lavorando con il suo studente laureato Andrew Potter, avuto un'idea:forse i fisici potrebbero essere in grado di osservare i fermioni di Majorana nel metallo, un materiale che diventa facilmente superconduttore in prossimità di un superconduttore. Gli scienziati producono regolarmente metalli, compreso l'oro, in superconduttori. L'idea di Lee era di vedere se lo stato superficiale dell'oro, il suo strato più superficiale di atomi, potesse essere reso superconduttivo. Se questo potesse essere raggiunto, allora l'oro potrebbe servire come un pulito, sistema atomicamente preciso in cui i ricercatori potevano osservare i fermioni di Majorana.

Lee ha proposto, basato sul precedente lavoro di Moodera con isolatori ferromagnetici, che se fosse posto su una superficie superconduttiva d'oro, quindi i ricercatori dovrebbero avere buone possibilità di vedere chiaramente le firme dei fermioni di Majorana.

"Quando l'abbiamo proposto per la prima volta, Non sono riuscito a convincere molti sperimentatori a provarlo, perché la tecnologia era scoraggiante, " dice Lee che alla fine ha collaborato con il gruppo sperimentale di Moodera per assicurarsi un finanziamento cruciale dalla Fondazione Templeton per realizzare il progetto. "Jagadeesh e Peng hanno dovuto davvero reinventare la ruota. È stato estremamente coraggioso lanciarsi in questo, perché è davvero ad alto rischio, ma pensiamo che un alto guadagno, cosa."

"Alla ricerca di Majorana"

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno caratterizzato lo stato superficiale dell'oro e hanno dimostrato che potrebbe funzionare come piattaforma per l'osservazione dei fermioni di Majorana, dopodiché il gruppo ha iniziato a fabbricare la configurazione che Lee aveva immaginato anni fa.

Per prima cosa hanno coltivato un foglio di vanadio superconduttore, sopra i quali hanno sovrapposto nanofili di strato d'oro, misura circa 4 nanometri di spessore. Hanno testato la conduttività dello strato più superficiale dell'oro, e ha scoperto che lo ha fatto, infatti, diventano superconduttori in prossimità del vanadio. Hanno quindi depositato sulle "isole" di nanofili d'oro di solfuro di europio, un materiale ferromagnetico in grado di fornire i campi magnetici interni necessari per creare i fermioni di Majorana.

Il team ha quindi applicato una piccola tensione e ha utilizzato la microscopia a effetto tunnel a scansione, una tecnica specializzata che ha permesso ai ricercatori di scansionare lo spettro energetico attorno a ciascuna isola sulla superficie dell'oro.

Moodera e i suoi colleghi hanno quindi cercato una firma energetica molto specifica che solo i fermioni di Majorana dovrebbero produrre, se esistono. In qualsiasi materiale superconduttore, gli elettroni viaggiano a determinati intervalli di energia. C'è però un deserto, o "gap energetico" dove non dovrebbero esserci elettroni. Se c'è un picco all'interno di questo spazio vuoto, è molto probabilmente una firma dei fermioni di Majorana.

Guardando attraverso i loro dati, i ricercatori hanno osservato picchi all'interno di questo gap energetico alle estremità opposte di diverse isole lungo la direzione del campo magnetico, che erano chiare firme di coppie di fermioni di Majorana.

"Vediamo questo picco solo sui lati opposti dell'isola, come previsto dalla teoria, " dice Moodera. "Ovunque, non lo vedi."

"Nei miei discorsi, Mi piace dire che stiamo trovando Majorana, su un'isola in un mare d'oro, " aggiunge Lee.

Moodera dice che la configurazione della squadra, che richiede solo tre strati - oro racchiuso tra un ferromagnete e un superconduttore - è un "facilmente realizzabile, sistema stabile" che dovrebbe essere anche economicamente scalabile rispetto a quello convenzionale, approcci basati su semiconduttori per generare qubit.

"Vedere una coppia di fermioni di Majorana è un passo importante verso la creazione di un qubit, " dice Wei. "Il passo successivo è creare un qubit da queste particelle, e ora abbiamo alcune idee su come procedere".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.