Físicos en el MIT y en otros lugares han observado evidencia de fermiones de Majorana, partículas que se teoriza que también son su propia antipartícula, en la superficie de un metal común: el oro. Este es el primer avistamiento de fermiones Majorana en una plataforma que potencialmente puede ampliarse. Los resultados, publicados en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, son un paso importante para aislar las partículas como qubits estables y a prueba de errores para la computación cuántica.
En física de partículas, los fermiones son una clase de partículas elementales que incluye electrones, protones, neutrones y quarks, que constituyen los componentes básicos de la materia. En su mayor parte, estas partículas se consideran fermiones de Dirac, después del físico inglés Paul Dirac, quien predijo por primera vez que todas las partículas fundamentales fermiónicas deberían tener una contraparte, en algún lugar del universo, en forma de antipartícula, esencialmente, un gemelo idéntico de carga opuesta
En 1937, el físico teórico italiano Ettore Majorana extendió la teoría de Dirac, prediciendo que entre los fermiones, debería haber algunas partículas, desde los fermiones de Majorana, que no se pueden distinguir de sus antipartículas. Misteriosamente, el físico desapareció durante un viaje en ferry frente a la costa italiana solo un año después de hacer su predicción. Los científicos han estado buscando la enigmática partícula de Majorana desde entonces. Se ha sugerido, pero no probado, que el neutrino puede ser una partícula de Majorana. Por otro lado, los teóricos han predicho que los fermiones de Majorana también pueden existir en sólidos bajo condiciones especiales.
Ahora, el equipo dirigido por el MIT ha observado evidencia de fermiones de Majorana en un sistema de materiales que diseñaron y fabricaron, que consiste en nanocables de oro cultivados sobre un material superconductor, vanadio, y salpicados de pequeñas "islas" ferromagneticas de sulfuro de europio. Cuando los investigadores escanearon la superficie cerca de las islas, vieron picos de señal característicos cerca de cero energía en la superficie superior del oro que, según la teoría, solo deberían ser generados por pares de fermiones Majorana.
"Los ferminones de Majorana son estas cosas exóticas, que durante mucho tiempo han sido un sueño ver, y ahora los vemos en un material muy simple: el oro", dice Jagadeesh Moodera, científico investigador principal del Departamento de Física del MIT. "Hemos demostrado que están allí, son estables y fácilmente escalables".
"El próximo impulso será tomar estos objetos y convertirlos en qubits, lo que sería un gran progreso hacia la computación cuántica práctica", agrega el coautor Patrick Lee, profesor de física de William y Emma Rogers en el MIT.
Los coautores de Lee y Moodera incluyen al ex postdoc MIT y primer autor Sujit Manna (actualmente en la facultad del Instituto Indio de Tecnología de Delhi), y el ex postdoc MIT Peng Wei de la Universidad de California en Riverside, junto con Yingming Xie y Kam Tuen Law de Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong.
Alto riesgo
Si pudieran aprovecharse, los fermiones de Majorana serían ideales como qubits, o unidades computacionales individuales para computadoras cuánticas. La idea es que un qubit estaría compuesto de combinaciones de pares de fermiones Majorana, cada uno de los cuales estaría separado de su compañero. Si los errores de ruido afectan a un miembro del par, el otro no debería verse afectado, preservando así la integridad del qubit y permitiéndole realizar un cálculo correctamente.
Los científicos han buscado fermiones de Majorana en semiconductores, los materiales utilizados en la informática convencional basada en transistores. En sus experimentos, los investigadores combinaron semiconductores con superconductores, materiales a través de los cuales los electrones pueden viajar sin resistencia. Esta combinación imparte propiedades superconductoras a los semiconductores convencionales, que según los físicos deberían inducir a las partículas en el semiconductor a dividirse, formando el par de fermiones Majorana.
"Hay varias plataformas materiales donde las personas creen que han visto partículas de Majorana", dice Lee. "La evidencia es cada vez más fuerte, pero aún no está 100% probada".
Además, las configuraciones basadas en semiconductores hasta la fecha han sido difíciles de escalar para producir los miles o millones de qubits necesarios para una computadora cuántica práctica, porque requieren el crecimiento de cristales muy precisos de material semiconductor y es muy difícil convertirlos en Superconductores de alta calidad.
Hace aproximadamente una década, Lee, en colaboración con su estudiante graduado Andrew Potter, tuvo una idea: tal vez los físicos podrían observar los fermiones de Majorana en metal, un material que se convierte rápidamente en superconductor cerca de un superconductor. Los científicos habitualmente convierten los metales, incluido el oro, en superconductores. La idea de Lee era ver si el estado de la superficie del oro, su capa superior de átomos, podía hacerse superconductora. Si esto pudiera lograrse, entonces el oro podría servir como un sistema limpio y atómicamente preciso en el que los investigadores podrían observar los fermiones de Majorana.
Lee propuso, basándose en el trabajo previo de Moodera con aisladores ferromagnéticos, que si se colocara sobre un estado de oro de superficie superconductora, entonces los investigadores deberían tener una buena oportunidad de ver claramente las firmas de fermiones Majorana.
"Cuando propusimos esto por primera vez, no pude convencer a muchos experimentadores para que lo probaran, porque la tecnología era desalentadora", dice Lee, quien eventualmente se asoció con el grupo experimental de Moodera para obtener fondos cruciales de la Fundación Templeton para realizar el diseño. "Jagadeesh y Peng realmente tuvieron que reinventar la rueda. Fue extremadamente valiente meterse en esto, porque es realmente un riesgo alto, pero creemos que es una gran recompensa".
Los científicos han buscado fermiones de Majorana en semiconductores, los materiales utilizados en la informática convencional basada en transistores. En sus experimentos, los investigadores combinaron semiconductores con superconductores, materiales a través de los cuales los electrones pueden viajar sin resistencia. Esta combinación imparte propiedades superconductoras a los semiconductores convencionales, que según los físicos deberían inducir a las partículas en el semiconductor a dividirse, formando el par de fermiones Majorana.
"Hay varias plataformas materiales donde las personas creen que han visto partículas de Majorana", dice Lee. "La evidencia es cada vez más fuerte, pero aún no está 100% probada".
Además, las configuraciones basadas en semiconductores hasta la fecha han sido difíciles de escalar para producir los miles o millones de qubits necesarios para una computadora cuántica práctica, porque requieren el crecimiento de cristales muy precisos de material semiconductor y es muy difícil convertirlos en Superconductores de alta calidad.
Hace aproximadamente una década, Lee, en colaboración con su estudiante graduado Andrew Potter, tuvo una idea: tal vez los físicos podrían observar los fermiones de Majorana en metal, un material que se convierte rápidamente en superconductor cerca de un superconductor. Los científicos habitualmente convierten los metales, incluido el oro, en superconductores. La idea de Lee era ver si el estado de la superficie del oro, su capa superior de átomos, podía hacerse superconductora. Si esto pudiera lograrse, entonces el oro podría servir como un sistema limpio y atómicamente preciso en el que los investigadores podrían observar los fermiones de Majorana.
Lee propuso, basándose en el trabajo previo de Moodera con aisladores ferromagnéticos, que si se colocara sobre un estado de oro de superficie superconductora, entonces los investigadores deberían tener una buena oportunidad de ver claramente las firmas de fermiones Majorana.
"Cuando propusimos esto por primera vez, no pude convencer a muchos experimentadores para que lo probaran, porque la tecnología era desalentadora", dice Lee, quien eventualmente se asoció con el grupo experimental de Moodera para obtener fondos cruciales de la Fundación Templeton para realizar el diseño. "Jagadeesh y Peng realmente tuvieron que reinventar la rueda. Fue extremadamente valiente meterse en esto, porque es realmente un riesgo alto, pero creemos que es una gran recompensa".
"Encontrando Majorana"
En los últimos años, los investigadores han caracterizado el estado de la superficie del oro y han demostrado que podría funcionar como una plataforma para observar fermiones Majorana, después de lo cual el grupo comenzó a fabricar la configuración que Lee imaginó hace años.
Primero crecieron una lámina de vanadio superconductor, sobre la cual superpusieron nanocables de capa de oro, que midieron aproximadamente 4 nanómetros de espesor. Probaron la conductividad de la capa superior del oro y descubrieron que, de hecho, se volvió superconductora en proximidad con el vanadio. Luego depositaron sobre las "islas" de nanocables de oro de sulfuro de europio, un material ferromagnético que es capaz de proporcionar los campos magnéticos internos necesarios para crear los fermiones Majorana.
Luego, el equipo aplicó un pequeño voltaje y usó microscopía de túnel de escaneo, una técnica especializada que permitió a los investigadores escanear el espectro de energía alrededor de cada isla en la superficie del oro.
Moodera y sus colegas buscaron una firma energética muy específica que solo los fermiones Majorana deberían producir, si existen. En cualquier material superconductor, los electrones viajan a través de ciertos rangos de energía. Sin embargo, hay un desierto o "brecha energética" donde no debería haber electrones. Si hay un pico dentro de esta brecha, es muy probable que sea una firma de fermiones Majorana.
Al revisar sus datos, los investigadores observaron picos dentro de esta brecha de energía en los extremos opuestos de varias islas a lo largo de la dirección del campo magnético, que eran firmas claras de pares de fermiones Majorana.
"Solo vemos este pico en lados opuestos de la isla, como lo predijo la teoría", dice Moodera. "En cualquier otro lugar, no lo ves".
"En mis conversaciones, me gusta decir que estamos encontrando a Majorana, en una isla en un mar de oro", agrega Lee.
Moodera dice que la configuración del equipo, que requiere solo tres capas (oro intercalado entre un ferromagneto y un superconductor) es un "sistema estable y fácil de lograr" que también debería ser económicamente escalable en comparación con los enfoques convencionales basados en semiconductores para generar qubits.
"Ver un par de fermiones Majorana es un paso importante para hacer un qubit", dice Wei. "El siguiente paso es hacer un qubit de estas partículas, y ahora tenemos algunas ideas sobre cómo hacerlo".
Primero crecieron una lámina de vanadio superconductor, sobre la cual superpusieron nanocables de capa de oro, que midieron aproximadamente 4 nanómetros de espesor. Probaron la conductividad de la capa superior del oro y descubrieron que, de hecho, se volvió superconductora en proximidad con el vanadio. Luego depositaron sobre las "islas" de nanocables de oro de sulfuro de europio, un material ferromagnético que es capaz de proporcionar los campos magnéticos internos necesarios para crear los fermiones Majorana.
Luego, el equipo aplicó un pequeño voltaje y usó microscopía de túnel de escaneo, una técnica especializada que permitió a los investigadores escanear el espectro de energía alrededor de cada isla en la superficie del oro.
Moodera y sus colegas buscaron una firma energética muy específica que solo los fermiones Majorana deberían producir, si existen. En cualquier material superconductor, los electrones viajan a través de ciertos rangos de energía. Sin embargo, hay un desierto o "brecha energética" donde no debería haber electrones. Si hay un pico dentro de esta brecha, es muy probable que sea una firma de fermiones Majorana.
Al revisar sus datos, los investigadores observaron picos dentro de esta brecha de energía en los extremos opuestos de varias islas a lo largo de la dirección del campo magnético, que eran firmas claras de pares de fermiones Majorana.
"Solo vemos este pico en lados opuestos de la isla, como lo predijo la teoría", dice Moodera. "En cualquier otro lugar, no lo ves".
"En mis conversaciones, me gusta decir que estamos encontrando a Majorana, en una isla en un mar de oro", agrega Lee.
Moodera dice que la configuración del equipo, que requiere solo tres capas (oro intercalado entre un ferromagneto y un superconductor) es un "sistema estable y fácil de lograr" que también debería ser económicamente escalable en comparación con los enfoques convencionales basados en semiconductores para generar qubits.
"Ver un par de fermiones Majorana es un paso importante para hacer un qubit", dice Wei. "El siguiente paso es hacer un qubit de estas partículas, y ahora tenemos algunas ideas sobre cómo hacerlo".
Más información: Sujit Manna et al. Firma de un par de modos cero de Majorana en estados superconductores de superficie dorada, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2020). DOI: 10.1073/pnas.1919753117
