La maggior parte dei materiali contiene molti elettroni, ciascuno dei quali ha una carica negativa e un tipo di momento quantico intrinseco noto come spin. Le interazioni tra gli elettroni in alcuni materiali possono produrre particelle emergenti, o particelle che hanno caratteristiche completamente diverse dagli elettroni che le compongono. Gli esempi includono materiali in cui la rotazione e la carica si separano e materiali in cui l'unità di carica si scompone in frazioni più piccole.

Le majorana, che rientrano in questa categoria di particelle emergenti, possono esistere in alcuni tipi di superconduttori e in uno stato quantistico della materia noto come liquido di spin. Due Majorana si combinano per formare un elettrone, quindi gli scienziati mirano a identificare i materiali in cui queste Majorana possono esistere separatamente. Ciò consentirebbe ai ricercatori di osservare le capacità uniche che queste particelle dimostrano da sole, compresi metodi efficienti per archiviare e trasferire informazioni su grandi distanze.

Nel perseguimento di questo obiettivo, un team di ricercatori che include Amir Yacoby dell'Università di Harvard, membro del Quantum Science Center con sede presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento di Energia, ha pubblicato un articolo di revisione su Science sullo stato del campo delle ricerche di Majorana. Il QSC è un centro nazionale di ricerca sulla scienza dell'informazione quantistica del DOE.

Il team, composto da ricercatori di Harvard, Princeton e della Libera Università di Berlino, è concentrato sullo studio del comportamento di Majorana per rafforzare la conoscenza delle potenziali applicazioni di queste particelle e del loro impatto sui fenomeni scientifici fondamentali.

"Queste particelle peculiari esistono solo in alcuni materiali", ha detto Yacoby. "Quindi le domande sono:in quali materiali esistono e come? E che tipo di test possiamo fare per determinare se un particolare materiale ha il potenziale per ospitare la Majorana? Rispondere a queste domande è una delle principali sfide in questo campo. "

Nel loro articolo, i ricercatori descrivono i progressi compiuti negli ultimi dieci anni e si concentrano principalmente sulle quattro piattaforme che si dimostrano promettenti per l'isolamento e la misurazione di Majorana:nanofili, effetto Hall quantistico frazionario, materiali topologici e giunzioni Josephson.

I nanofili, che rappresentano l’opzione più studiata per realizzare sistemi quantistici basati su Majorana, sono sottili bastoncini costituiti da un materiale semiconduttore. Un altro modo per creare un'atmosfera ospitale per Majorana è abilitare l'effetto Hall quantistico frazionario, che si verifica quando gli elettroni si muovono su un piano soggetto a un forte campo magnetico.

Molti materiali topologici sono anche potenziali ospiti per le Majorana a causa della loro struttura apparentemente contraddittoria di regioni interne che agiscono come isolanti elettrici e regioni esterne che conducono facilmente l'elettricità. Infine, le giunzioni Josephson sono costituite da due superconduttori separati da un normale pezzo di metallo o semiconduttore. Precedenti studi QSC hanno indicato che questi sandwich superconduttori potrebbero essere progettati per ospitare comodamente i Majorana.

"Quando applichiamo nuove tecniche a questi diversi tipi di materiali, ciò che spesso accade è che scopriamo cose che non ci aspettavamo", ha detto Yacoby. "Parte del nostro obiettivo è comprendere meglio cosa vediamo esattamente nelle firme che osserviamo."

Questa ricerca è in linea con le priorità del QSC. I ricercatori stanno lavorando con altri membri del QSC, tra cui Prineha Narang dell'UCLA e Stephen Jesse dell'ORNL, per continuare a ideare nuove metodologie teoriche e sperimentali volte allo screening dei materiali per Majoranas.

"Attraverso il QSC, siamo stati in grado di trarre vantaggio dalle nuove tecnologie che stanno emergendo nella comunità della scienza quantistica", ha affermato Yacoby. "Questi includono nuovi modi di misurare e sondare la materia per ideare nuovi test che ci diranno se vale la pena considerare un materiale come possibile ospite di Majorana o meno."