Cuasipartículas de Majorana en superconductores topológicos

En el grafeno se observan cuasipartículas de tipo fermión de Dirac sin masa, aunque no se conoce ninguna partícula fundamental de este tipo (hace décadas se pensaba que los neutrinos lo eran). En los superconductores topológicos se observan cuasipartículas de tipo fermión de Majorana con masa. No se conoce ninguna partícula fundamental de este tipo (pero hay físicos que creen que los neutrinos lo son). Se publica en Science la primera observación directa de estas cuasipartículas en un nanohilo magnético de hierro sobre plomo en estado superconductor usando un microscopio de efecto túnel.

Una pareja de cuasipartículas de tipo Majorana se comporta como una cuasipartícula de Dirac con dos niveles energéticos, es decir, se comporta como un cubit (bit cuántico). Estos cubits se llaman memorias cuánticas topológicamente protegidas porque son bastante robustos ante la decoherencia. Por ello, estos cubits superconductores están considerados una tecnología prometedora para los futuros ordenadores cuánticos (la llamada computación cuántica topológica).

El artículo técnico es Stevan Nadj-Perge et al., “Observation of Majorana fermions in ferromagnetic atomic chains on a superconductor,” Science, AOP 02 Oct 2014. Más información en Steven Schultz, “Capping decades of searching, Princeton scientists observe elusive particle that is its own antiparticle,” News in Princeton, 02 Oct 2014; “Majorana fermion: Physicists observe elusive particle that is its own antiparticle,” Phys.org, 02 Oct 2014;

Dibujo20141007 iron wire on a lead surface - probability Majorana fermions - princeton univ - yazdani lab

La teoría BCS (Bardeen–Cooper–Schriffer) explica la superconductividad gracias a la formación de cuasipartículas (pares de Cooper), pares de electrones acoplados por una fuerza atractiva mediada por fonones (vibraciones de la red cristalina). Los pares de Cooper se comportan como bosones y a baja temperatura pasan a un estado tipo condensado de Bose-Einstein. Por ejemplo, el plomo es un superconductor de tipo I con una temperatura crítica de 7,2 K (en el nuevo artículo publicado en Science se ha trabajado a 1,4 K).

En 2001, Alexei Yu. Kitaev propuso que un nanohilo fermiónico (un sistema unidimensional de átomos cada uno comportándose como un fermión) presenta estados de tipo fermión de Majorana en sus (átomos) extremos (A. Yu. Kitaev, “Unpaired Majorana fermions in quantum wires,” Physics-Uspekhi 44: 131, 2001; arXiv:cond-mat/0010440 [cond-mat.mes-hall]). Los fermiones de Majorana son cuasipartículas idénticas a sus anticuasipartículas. Una pareja de fermiones de Majorana se comporta como un fermión de Dirac con dos niveles energéticos, es decir, como un cubit.

La búsqueda de sistemas físicos unidimensionales con fermiones de Majorana ha sido muy intensa desde 2001 porque estos cubits son robustos ante la decoherencia. Se habla de protección topológica porque ambos fermiones de Majorana interaccionan de forma no local. Las perturbaciones del entorno (decoherencia) no pueden destruir el estado de Majorana de uno solo de los extremos sin afectar al otro. La decoherencia debe destruir los estados de ambos fermiones de Majorana, lo que, a priori, permite lograr grandes tiempos de decoherencia.

Dibujo20141006 schematic experimental setup - chian magnetic atoms on superconductor - phys rev

En el año 2013, Ali Yazdani (Univ. Princeton, Nueva Jersey, EEUU) y sus colegas propusieron que una cadena de átomos magnéticos (metales 3d o 4f) colocados sobre un superconductor podría implementar el modelo de Kitaev y permitiría observar fermiones de Majorana (S. Nadj-Perge, I. K. Drozdov, B. A. Bernevig, Ali Yazdani, “Majorana fermions in chains of magnetic atoms on a superconductor,” Phys. Rev. B 88: 020407, 2013; arXiv:1303.6363 [cond-mat.supr-con]). Para colocar sobre el superconductor una cadena lineal de átomos proponían usar un microscopio de efecto túnel.

Los estados de Majorana en los extremos de la cadena lineal de átomos magnéticos se observan gracias a los estados superficiales del superconductor (que en este contexto se llama superconductor topológico). Estos estados de tipo fermión de Dirac presentan una simetría Z2, con dos valores (ν=0,1), similar a la simetría de inversión temporal. En el caso trivial (ν=0) estos estados superficiales acoplados a los átomos de la cadena se comportan como fermiones de Dirac con dos niveles de energía, uno positivo (cuasipartícula) y otro negativo (anticuasipartícula). En el caso topológico (ν=1), los estados que se acoplan a los átomos que están en el extremo de la cadena tienen energía nula (como si los dos niveles de energía coincidieran en uno solo) y se comportan como fermiones de Majorana.

El nuevo artículo del grupo de Yazdani que se publica en Science ha logrado implementar este sistema físico y demostrar la presencia de (cuasipartículas tipo) fermiones de Majorana localizados en los átomos extremos de la cadena. Han colocado una cadena de átomos de hierro (Fe) sobre una superficie superconductora de plomo (Pb). Gracias al microscopio de efecto túnel han podido observar de forma directa estos estados de tipo Majorana.

Hay que aclarar que no es la primera observación de los estados de Majorana en nanohilos (V. Mourik et al., “Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices,” Science 336: 1003-1007, 2012; R. Service, “Physicists Discover New Type of Particle–Sort Of,” ScienceNOW, April 2012). La novedad es que se trata de la primera observación directa.

Dibujo20141005 Topography chain colorized by the conductance at applied magnetic field H equal 1 T - science mag

Sin entrar en más detalles técnicos, los cubits robustos implementados con pares de fermiones de Majorana en cadenas de átomos sobre superconductores son prometedores, pero todavía están en fase emergente. Serán necesarios futuros avances para que logren competir con otros cubits de estado sólido de gran calidad (como los cubits implementados con diamante). Aún así, se trata de una tecnología prometedora.

Me gustaría acabar indicando que en algunos medios se ha dicho que se han observado partículas de Majorana o partículas idénticas a sus antipartículas; hay que tener cuidado con estos titulares pues no se han observado partículas sino cuasipartículas (estados cuánticos colectivos que se comportan como partículas, pero que no son partículas fundamentales).

¿Implica el nuevo artículo que los neutrinos son partículas de Majorana? No, rotundamente no. Experimentos como el español Next (Laboratorio de Canfranc) que tratan de observar la desintegración doble beta sin neutrinos (señal clara de que son partículas de Majorana) tienen la misma esperanza de observarla a día de hoy que antes de 2012. Una cosa no tiene nada que ver con la otra (Clara Moskowitz, “Researchers see signature of ‘Majorana particles’ inside superconducting iron,” Nature News, 03 Oct 2014).


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