Semnalul evazivei particule de Majorana apare într-un nanofire

Slipurile de curent electric la capătul unui fir gros ca un atom i-au adus pe fizicieni cu un pas mai aproape de a confirma existența fermionilor Majorana, particule propuse acum 77 de ani care sunt propriile lor antiparticule.

Noul experiment, descris pe 2 octombrie în Ştiinţă, nu dovedește definitiv că aceste particule există. Dar oferă dovezi convingătoare care completează concluziile cercetărilor anterioare.

„Nivelul probelor este suficient pentru o arestare, dar nu pentru pedeapsa cu moartea”, spune Leo Kouwenhoven, fizician la Universitatea de Tehnologie Delft din Olanda, a cărei echipă a văzut și indicii de particule de Majorana. Dacă sunt confirmate, aceste particule exotice ar putea ajuta oamenii de știință să depășească o barieră majoră în calea creării computerelor cuantice.

În 1937, fizicianul italian Ettore Majorana a propus existența unei particule care este, de asemenea, omologul său de antimaterie. (Alte particule subatomice au antiparteneri separați, de exemplu electronii și pozitronii.) Unii fizicieni speră că neutrinii, particulele firave care abia interacționează cu materia, se califică drept fermioni Majorana.

În jurul anului 2000, fizicienii și-au dat seama că ar putea exista și un alt tip de particule Majorana – una care ar putea apărea pe suprafețele anumitor materiale. Spre deosebire de electroni, neutrini și alte particule familiare care pot exista în vid, această particulă ar fi un produs al mediului său, care decurge din comportamentul colectiv al electronilor din jurul său.

Și, în ciuda faptului că este propria sa antiparticulă, această particulă specială nu ar fi un fermion. De fapt, nu s-ar încadra în nici una dintre categoriile pe care fizicienii le folosesc pentru a clasifica particulele subatomice: fermioni (de exemplu, protoni, quarci și electroni) sau bozoni (cum ar fi Higgs). „Majorana din materia condensată este mult mai subtilă și mai exotică decât un neutrin Majorana”, spune Joel Moore, un fizician teoretician la Universitatea din California, Berkeley.

În 2012, echipa lui Kouwenhoven a raportat prima măsurare a semnăturii prezise a unei particule de Majorana: un curent electric care a crescut într-un nanofir special conceput la tensiune zero (SN: 19.5.12, str. 11). Descoperirea a sugerat că pe fir s-au format o pereche de particule Majorana, câte o particulă la fiecare capăt. Dar cercetătorii nu au putut arăta exact de unde pe fir venea semnalul.

Noul experiment, condus de fizicianul de la Princeton Ali Yazdani, a folosit un fir de atomi de fier în formă de zig-zag încorporați pe un cristal de plumb răcit. La temperaturi apropiate de zero absolut, această configurație acționează ca un supraconductor – mută electronii fără rezistență. Cercetătorii au folosit un microscop înalt de două etaje, foarte puternic, pentru a vizualiza electronii din fir. Destul de sigur, atunci când între vârful microscopului și supraconductor a existat o tensiune zero, cercetătorii au detectat un vârf de curent electric la un capăt al firului – probabil cartela de vizită a uneia dintre perechile de particule Majorana.

„Este prima dată când particula Majorana a fost observată”, spune Yazdani. Moore nu va merge atât de departe, dar spune că particula Majorana este „o explicație foarte plauzibilă pentru ceea ce văd. Acest lucru depășește semnificativ experimentul Delft.”

Pentru Kouwenhoven, cele două studii împreună sunt echivalente cu a face o imagine frumoasă a ceva care arată ca particula Majorana. Dar pentru a dovedi că particula există, „trebuie să-i iei ADN-ul”, spune el. „Și nu a fost făcut un test ADN”. El spune că testul va necesita manipularea și mutarea particulelor pentru a demonstra dualitatea lor particule-antiparticule.

Lipsa unei confirmări experimentale nu a împiedicat Microsoft și agențiile de finanțare să susțină cercetarea privind încorporarea particulelor de Majorana în dispozitive. Mulți fizicieni văd pe Majoranas ca fiind qubitul ideal, unitatea de procesare de bază pentru calculatoarele cuantice. Potențialul computerelor cuantice de a le depăși pe cele convenționale depinde de capacitatea qubiților de a menține o stare cuantică fragilă în care au 1 și 0 simultan (SN: 31.5.14, str. 10). Conform teoriei, distanța dintre particulele Majorana pereche ar trebui să facă stările cuantice ale particulelor extraordinar de stabile.

„Sunt cu adevărat convins că este posibil din punct de vedere științific”, spune Kouwenhoven. „Acum trebuie să o facem.”