Las cuasipartículas de Majorana se propagan en superconductores topológicos. Por ejemplo, en un nanohilo semiconductor sobre un superconductor convencional. Un nuevo estudio teórico apunta a la existencia de cuasipartículas de Majorana en el grafeno. Para ello hay que inducir un estado de superconductividad topológica en el grafeno, lo que requiere ponerlo en contacto con un superconductor convencional y aplicar un campo magnético intenso. En dicho caso, las cuasipartículas (ondas de electrones) solo se pueden mover por los bordes de la hoja de grafeno comportándose como partículas de Majorana en sendos nanohilos.

Por supuesto, este trabajo teórico requiere una validación experimental. Quizás no tarde en llegar ya que hay mucho interés en observar la superconductividad topológica en grafeno. ¿Para qué pueden servir estos cuasipartículas de Majorana? La aplicación más mencionada es su uso en computación cuántica topológica, que se supone que será más robusta que la convencional, aunque su desarrollo está menos avanzado. El artículo es P. San-Jose, J. L. Lado, R. Aguado, F. Guinea, J. Fernández-Rossier, «Majorana Zero Modes in Graphene,» Phys. Rev. X 5: 041042 (15 Dec 2015), doi: 10.1103/PhysRevX.5.041042, arXiv:1506.04961 [cond-mat.mes-hall]; véase también Ana Lopes, «Synopsis: Graphene Majoranas,» APS Physics, 15 Dec 2015, y «Demuestran la posibilidad de obtener partículas de Majorana en grafeno», CSIC, 04 Mar 2016.

El artículo teórico ha estudiado diferentes uniones grafeno-superconductor bajo un campo magnético. Por un lado, una hoja de grafeno con una anchura de 350 nm unida a un superconductor convencional. Bajo un campo magnético transversal, el grafeno se comporta en el régimen tipo Hall cuántico y muestra un orden magnético caracterizado por un parámetro controlable (llamado θ). Como ilustra esta figura, el grafeno se comporta como un ferromagneto (F, Ferro) para θ=0, todos los espines están paralelos, como un antiferromagneto (AF, Antiferro) para θ=π, con todos los espines antiparalelos a pares, o como un antiferromagneto inclinado (Canted) para θ=π/2, con los espines inclinados con una diferencia de noventa grados a pares. En este último caso se observan los estados de tipo Majorana en el borde (la región del grafeno en contacto con el superconductor).

Por otro lado, para observar el comportamiento como superconductor topológico con estados de Majorana, se estudia una hoja de grafeno tipo nanohilo (10 nm × 3000 nm) entre dos superconductores (unión Josephson con grafeno). El parámetro de orden magnético separa tres regiones 0 < θ < θ_L, con comportamiento más ferromagnético y salto de banda trivial (trivial gap), θ_W < θ < π, con comportamiento más antiferromagnético sin salto de banda (gapless) y θ_L< θ < θ_W, con comportamiento menos ferromagnético y salto de banda no trivial (nontrivial gap).

Esta figura muestra una hoja de grafeno cuadrada (500 nm × 500 nm) entre dos superconductores convencionales. Los estados de Majorana aparecen en color azul sobre fondo gris (en la parte izquierda de la figura para θ < θ_L, arriba, θ_L< θ < θ_W, centro, y θ_W < θ, abajo. La parte de la derecha de la figura muestra las curvas dI/dV que se deberían observar usando espectroscopia de transporte, tanto en función de la diferencia de fase entre los superconductores (ϕ) para θ=0, como del parámetro de orden (θ) para ϕ=0.

Esta figura muestra otra hoja de grafeno cuadrada (350 nm × 350 nm) unida a un solo superconductor convencional. Como en la figura anterior, los estados de Majorana aparecen en color azul sobre fondo gris (en la parte izquierda de la figura). Estas figuras, más allá se su propia belleza artística, serán el objetivo de los grupos de físicos experimentales que busquen observar las cuasipartículas de Majorana en grafeno. No promete ser fácil, pero se está avanzando mucho en las técnicas de cuasipartículas balísticas para la observación de los estados electrónicos en el grafeno con superconductividad inducida.

La primera observación fuera de toda duda de la superconductividad topológica es uno de los santos griales de la física de materiales. Este nuevo estudio teórico apunta a que podría lograrse usando uniones grafeno-superconductor, quizás en formato tipo nanohilo. La propuesta es muy sugerente. Quizás en pocos años se valide la predicción de estos investigadores españoles. Hasta entonces, como habrás notado ya, me ha deslumbrado la belleza de sus figuras.