Hacia la evidencia de la existencia de las cuasipartículas de Majorana en nanohilos

Dibujo20171110 spin polarization measurement majorana fermion sciencemag 358 6364 772 F1

Evidence significa indicio o prueba en inglés; hay indicios de la existencia de fermiones de Majorana en nanohilos (se observa un pico con energía cero en el espectro). Sin embargo, no hay evidencia de su existencia (ya que el pico observado se puede explicar con otros fenómenos, como impurezas de tipo estado de Shiba). Un futuro premio Nobel a los fermiones de Majorana exige una señal que los caracterice de forma inequívoca. Se publica en Science que la medida de la polarización asociada al espín mediante un microscopio de efecto túnel específico podría permitir la primera evidencia. Se han estudiado nanohilos ferromagnéticos de átomos de hierro sobre un sustrato superconductor de plomo; la polarización del espín observada parece difícil de explicar mediante otros fenómenos. Si se confirma la idea con futuros estudios, los fermiones de Majorana se situarán en la alfombra roja hacia el Nobel.

¿Para qué sirven los fermiones de Majorana? Siendo estados cuánticos topológicos, su gran robustez ante posibles errores les hace candidatos ideales en computación cuántica topológica. Los buenos aficionados a este blog sabéis que le tengo un cariño especial a los fermiones de Majorana, aunque hace tiempo que no hablo de ellos. El artículo es Sangjun Jeon, Yonglong Xie, …, Ali Yazdani, “Distinguishing a Majorana zero mode using spin-resolved measurements,” Science 358: 772-776 (10 Nov 2017), doi: 10.1126/science.aan3670, arXiv:1710.04662 [cond-mat.mes-hall]. Por cierto, hay pruebas independientes en un artículo con un nanohilo de átomos de cobalto sobre un sustrato de plomo, Michael Ruby, Benjamin W. Heinrich, …, Katharina J. Franke, “Exploring a proximity-coupled Co chain on Pb(110) as a possible Majorana platform,” Nano Letters 17: 4473 (2017), doi: 10.1021/acs.nanolett.7b01728, arXiv:1704.05756 [cond-mat.mes-hall].

Dibujo20171110 up down spin polarization majorana fermion sciencemag 358 6364 772 F2

El famoso físico italiano Ettore Majorana introdujo los fermiones que llevan su nombre en un artículo de 1937, un año antes de desaparecer para siempre y jamás. La observación de los fermiones de Majorana en nanohilos fue propuesta a nivel teórico a principios del siglo XXI y se observó por primera vez en el año 2012. El descubrimiento fue uno de los candidatos al Breakthrough of the Year 2012 de la revista Science, que como imaginas copó el anuncio del bosón de Higgs (“Majorana Fermions, Quasi-Here at Last” in “The Runners-Up,” Science 338: 1525-1532 (21 Dec 2012), doi: 10.1126/science.338.6114.1525). Desde entonces se han observado en muchos sistemas físicos, logrando múltiples artículos en Nature y Science, luego muchos físicos asumen que su existencia está fuera de toda duda. Pero como se titulaba en Science en 2012, casi están aquí.

En algunos medios se describe un fermión de Majorana como la mitad de un fermión de Dirac. Te recuerdo que el fermión de Dirac es la excitación de un campo cuántico de espín 1/2 con cuatro componentes, dos asociadas al fermión (izquierda y derecha) y dos al antifermión (izquierda y derecha); un fermión de Majorana es la excitación de un campo cuántico de espín 1/2 con solo dos componentes, izquierda y derecha, con lo que no existe el antifermión (o en rigor el fermión y el antifermión coinciden). En el espectro de energía de las cuasipartículas en un nanohilo los fermiones de Dirac se observan parejas de estados energéticos, uno de energía por encima del nivel de Fermi (EF + Δ) y otro por debajo (EF − Δ); no hay ningún estado con la energía del nivel de Fermi. Para cuasipartículas de tipo fermión de Majorana además de dichos estados a pares se observa un nuevo estado energético con la energía del nivel de Fermi (EF); los fermiones de Majorana están protegidos topológicamente porque no hay ninguna perturbación continua que pueda deformar el espectro de energía de las cuasipartículas de un número par de niveles a un número impar de niveles.

Dibujo20171110 spin-polarized scanning tunneling microscopy majorana fermion yazdani lab princeton university

Ciertas impurezas en el sustrato cercanas a la punta del nanohilo pueden comportarse como estados de energía muy pequeña, cercana a cero, que aparentan ser cuasipartículas de Majorana dentro de los intervalos de error del experimento; entre ellas destacan los llamados estados de Shiba. Para distinguirlos se puede usar un microscopio de efecto túnel con punta sensible a la polarización (SP-STM, por Spin-Polarized, Scanning Tunneling Microscope); el fermión de Majorana tiene espín fijo (hacia arriba o hacia abajo, según el extremo del nanohilo), mientras el estado de Shiba combina ambos espines (hacia arriba y hacia abajo).

Dibujo20171110 shiba majorana SP-STM sciencemag F3

Esta figura muestra los resultados obtenidos. En un punto intermedio del nanohilo, la señal observada corresponde a un estado de Shiba (no hay estados de Majorana en dicha región). En los extremos del nanohilo la señal observada es combinación del estado de Majorana y del estado de Shiba. Con las técnicas usuales ambos estados están próximos lo que impide distinguir su presencia simultánea, en su caso. Sin embargo, en polarización el estado de Majorana tiene mayor amplitud que el de Shiba. Gracias a ello se puede diferenciar entre ambos estados de pequeña energía (el estado de Majorana es el de energía cero).

En resumen, un trabajo muy interesante que si se confirma en futuros meses le dará un gran empujón al campo de los estados de energía cero tipo Majorana. Con seguridad seguiremos hablando de ellos en los próximos meses.


8 Comentarios

Participa Suscríbete

Francisco R. Villatoro

No entiendo, Alvaro, la pregunta. Los fermiones (en 3+1) pueden ser de Weyl (sin masa), de Dirac (como el electrón) y de Majorana (como algunos desean que sea el neutrino). En este caso se trata de cuasipartículas de tipo fermión, que pueden ser de Weyl, Dirac o Majorana. ¿A qué te refieres con familia?

Alvaro VerdionAlvaro Verdion

Perdón, preguntaba si solo han comprobado que existen o han encontrado un fermión con nombre como el neutralino u otra.

Francisco R. Villatoro

No se le da nombre propio a estos estados. Se observan cuasipartículas (ondas de electrones) en nanohilos cuyo estado se describe mediante el mismo formalismo cuántico que se usa para los fermiones de Majorana, igual que las cuasipartículas en grafeno se describen como fermiones de Dirac o en algunos aislantes tipológicos como fermiones de Weyl.

NachoNacho

Hola Francis, gracias por el excelente resumen de tan interesante tema.

Una pregunta, ¿estos estados de Shiba guardan alguna relación con los “estados ligados de Andreev”??

Ramón AguadoRamón Aguado

Hola Francis, muy buena entrada! Para todos aquellos que estéis interesados en el tema acabo de escribir un review con una introducción teórica extensa y una revisión del estado del arte en varias plataformas experimentales https://arxiv.org/abs/1711.00011
Contestando a la pregunta de Nacho: los estados de Shiba son, efectivamente, un caso particular de estados ligados de tipo Andreev (en este caso, estados ligados de espín en un superconductor).

Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>