Science publica un artículo negativo: no se observan fermiones de Majorana

Por Francisco R. Villatoro, el 11 enero, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 4

Mucha gente se lamenta de que revistas como Nature y Science nunca publiquen artículos con resultados negativos. El año 2020 se ha inaugurado con uno en Science. El siglo XXI se inició con la predicción teórica de las cuasipartículas de tipo fermión de Majorana en ciertos dispositivos superconductores. En la segunda década Nature y Science publicaron indicios de su existencia, aunque algunos expertos tenían dudas. Science  publica un artículo que niega la mayor. En una heteroestructura en la que un superconductor se coloca sobre un aislante topológico con efecto Hall cuántico anómalo no se observan fermiones de Majorana. Más aún, los indicios previos en estos dispositivos se explican usando un mecanismo que no requiere cuasipartículas de Majorana. Un artículo negativo en toda regla, que además va en contra de publicaciones previas en esta misma revista. Como siempre, en ciencia, nunca digas nunca jamás.

El secreto del nuevo trabajo es la fabricación de estas heteroestructuras a escala submilimétrica (hasta ahora solo se lograron fabricar a escala submicrométrica). Así se reducen los defectos y se facilita la realización de medidas experimentales de gran precisión (que requieren el uso de sondas en la nanoescala). Se observa una conductancia diferencial semientera, la señal predicha por los modelos teóricos para cuasipartículas de Majorana y que fue observada en artículos previos. Pero se explica sin recurrir a fermiones de Majorana, gracias a una especie de «cortocircuito» entre el aislante Hall cuántico anómalo y el superconductor, debido a su fuerte acoplamiento mutuo. Así, el dispositivo que era el más firme candidato para el uso de los fermiones de Majorana en los futuros ordenadores cuánticos topológicos se cae de todas las quinielas. La búsqueda de estas cuasipartículas continúa, pero en dispositivos más exóticos.

El artículo es Morteza Kayyalha, Di Xiao, …, Cui-Zu Chang, «Absence of evidence for chiral Majorana modes in quantum anomalous Hall-superconductor devices,» Science 367: 64-67 (03 Jan 2020), doi: https://doi.org/10.1126/science.aax6361; la primera versión del artículo apareció en arXiv con el título «Non-Majorana Origin of the Half-Quantized Conductance Plateau in Quantum Anomalous Hall Insulator and Superconductor Hybrid Structures,» arXiv:1904.06463 [cond-mat.mes-hall] (13 Apr 2019).

Como no podía ser de otra forma, hay expertos que están de acuerdo con los resultados del grupo de Cui-Zu Chang; p. ej. Peng Zhang, Lei Pan, …, Kang L. Wang, «A Note on Half-quantized Conductance Plateau of Chiral Majorana in Quantum Anomalous Hall Insulator and Superconductor Structures,» arXiv:1904.12396 [cond-mat.supr-con] (28 Apr 2019). Por supuesto, se siguen publicando artículos que observan señales de fermiones de Majorana en estas heteroestructuras, p. ej. Junying Shen, Jian Lyu, …, Rolf Lortz, «Spectroscopic fingerprint of chiral Majorana modes at the edge of a quantum anomalous Hall insulator/superconductor heterostructure,» PNAS 117: 238-242 (07 Jan 2020), doi: https://doi.org/10.1073/pnas.1910967117,  arXiv:1809.04752 [cond-mat.supr-con] (13 Sep 2018).

Te recuerdo que Ettore Majorana introdujo en un artículo de 1937 la idea de fermiones neutros idénticos a sus antipartículas (a diferencia de los fermiones que Paul A. M. Dirac introdujo en 1928, que son diferentes de sus antipartículas, incluso cuando son neutros, porque tienen quiralidad opuesta). En Física de la Materia Condensada las cuasipartículas de tipo Majorana en nanohilos son muy interesantes gracias a que se pueden usar para implementar cúbits robustos.

Los fermiones de Majorana tienen cierto efecto «memoria» de su posición en el nanohilo, de tal forma que su estado depende de la trayectoria en el espaciotiempo que han recorrido; así si se intercambian las posiciones de dos de ellos, el resultado final es diferente si el intercambio ocurrió en sentido horario o antihorario, los dos posibles valores del bit. A nivel cuántico el estado es una superposición de ambas posibilidades, lo que permite implementar un cúbit (bit cuántico). Usando una serie de fermiones de Majorana en un nanohilo, junto a un proceso que permita el intercambio de sus posiciones, se pueden implementar diferentes puertas lógicas cuánticas. A nivel divulgativo recomiendo la lectura de Sankar Das Sarma, Michael Freedman, Chetan Nayak, «Topological quantum computation,» Physics Today 59: 32-38 (2006), doi: https://doi.org/10.1063/1.2337825 [PDF].

El equipo liderado por Cui-Zu Chang (Pennsylvania State University, USA) ha estudiado la conductividad en una heteroestructura que consiste en una cinta de niobio (Nb) con una anchura de ~20 μm (en dispositivos previos se usaban nanohilos de ~200 nm) recubierta de forma completa con una aislante Hall cuántico anómalo (QAH); en concreto, un sándwich de 3QL Cr-doped (Bi, Sb)2Te3 / 5QL (Bi, Sb)2Te3 / 3QL Cr-doped (Bi, Sb)2Te3, donde QL significa una capa quíntuple. Este dispositivo permite medir la transparencia de contacto entre el aislante topológico (TI), QAH, y el superconductor (SC), Nb a temperatura inferior a ~8.6 K, usando una nanosonda para la medida de la conductancia diferencial; la posible existencia de modos de Majorana quirales que se propagan por el borde de la cinta superconductora se debería observar gracias a valores semienteros de la conductancia a temperatura inferior a la crítica. Además, en este dispositivo TI-SC se puede estudiar la reflexión de Andreev en función del voltaje de puerta Vg (algo muy difícil en nanohilos por su tamaño en la nanoescala) y compararla con la reflexión normal.

La figura muestra las conductividades diferenciales σ1,2 = dI13,6/dV1,2  y  σ1,3 = dI13,6/dV1,3 (véase la figura que abre esta pieza para los números de los contactos). Se observa que σ1,2 ~ 0.5 e2/h, un plateau que en estudios previos se consideró una señal de la presencia de fermiones de Majorana; dicho valor baja hasta σ1,2 ~ 0.21 e2/h para un campo magnético cercano al crítico μ0Hc; pero, en contra de lo esperado para fermiones de Majorana, dicho valor no cambia cuando se alcanza el campo crítico que destruye la superconductividad μ0Hc2 ~ 2.9 T . Además, se observa que σ1,3 ~ e2/h en el rango |μ0H| > μ0Hc, lo que se esperaría si el Nb superconductor se comportara como un metal normal.

Los resultados observados se explican bien usando la teoría BTK (Blonder–Tinkham–Klapwijk) para la unión entre un metal y un superconductor. Así, que la conductancia σ1,2 alcance un valor semientero es debido al fuerte acoplamiento entre el aislante (QAH) y el superconductor (Nb), sin necesidad de recurrir a la presencia de fermiones de Majorana. Por tanto, se concluye que no es suficiente la presencia de un plateau σ1,2 ~ 0.5e2/h  para asegurar la existencia de modos de Majorana en heteroestructuras donde un superconductor se coloca sobre un aislante topológico con efecto Hall cuántico anómalo. Dicha señal en estudios previos con dispositivos donde su medida experimental es más difícil no asegura la existencia de fermiones de Majorana (aunque dichos estudios se hayan publicado en revistas como Nature y Science). Un resultado negativo sorprendente, sin lugar a dudas.



4 Comentarios

  1. Gracias por el blog Francis.

    Es de los pocos sitios que conozco donde las noticias científicas son a la vez interesantes y necesariamente complejas. A mi al menos me deja con ganas de extender conocimientos sobre muchos de los temas que tratas, y muchas veces acabo navegando un par de días de la wikipedia a artículos relacionados o referenciados, y vuelta.

    En resumen, me apena que a veces los únicos que se asomen a comentar sean casos clínicos, así que me he animado a dejarte unas palabras.

    Ánimo y gracias!

  2. Hola, esta claro que cuando la base es buena,
    se puede aprovechar cualquier cosa.

    «Químicos del Instituto Químico-Tecnológico de Praga y la Universidad de Torono han
    demostrado que las heces de pollo se pueden usar para hacer que el grafeno sea un
    mejor catalizador.»

    Un saludo y gracias.

    1. Miguel, gracias, el artículo es Lu Wang, Zdenek Sofer, Martin Pumera, «Will Any Crap We Put into Graphene Increase Its Electrocatalytic Effect?» ACS Nano 14: 21-25 (14 Jan 2020), doi: https://doi.org/10.1021/acsnano.9b00184 . Solo menciona las heces de pollo en las conclusiones (y en la información suplementaria):

      «To conclude in a positive (and a bit satiric) tone, we speculate that the chemical composition of chicken guano can be tailored by feedstock (chick feed), and, therefore, the quality of the resulting doped catalyst can be further improved. We believe that there is potential for the bird dropping-doped graphene for fuel cells and in a hydrogen economy, and we believe that bird droppings can become a high-value-added product such as guano was in the past. One can only hope that with such dramatic advantages, no wars (even trade wars) will be started over bird droppings this time».

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