ricercatori del MIT hanno osservato misteriosi fermioni di Majorana nelle isole d'oro. La scoperta potrebbe portare a una nuova famiglia di qubit robusti per il calcolo quantistico.

Introduzione

I fisici del MIT e di altri paesi hanno osservato prove dei fermioni di Majorana – particelle che si teorizzano essere anche la loro stessa antiparticella – sulla superficie di un metallo comune: l’oro. Questo è la prima osservazione dei fermioni di Majorana su una piattaforma che può essere potenzialmente ingrandita. I risultati, pubblicati negli Atti della National Academy of Sciences, rappresentano un passo importante verso l’isolamento delle particelle come qubit stabili e a prova di errore utili per il calcolo quantistico.

I fermioni

Nella fisica delle particelle, i fermioni sono una classe di particelle elementari la quale include elettroni, protoni, neutroni e quark, che costituiscono tutti i mattoni della materia. Per la maggior parte, queste particelle sono considerate fermioni di Dirac, dal fisico inglese Paul Dirac, che per primo ha predetto che tutte le particelle fondamentali fermioniche dovrebbero avere una controparte, in qualche punto dell’universo, sotto forma di un’antiparticella – essenzialmente, un gemello identico di carica opposta.

Nel 1937, il fisico teorico italiano Ettore Majorana estese la teoria di Dirac, prevedendo che tra i fermioni dovrebbero esserci alcune particelle, dal nome di fermioni di Majorana, che sono indistinguibili dalle loro antiparticelle. Misteriosamente, il fisico è scomparso durante un viaggio in traghetto al largo della costa italiana appena un anno dopo aver fatto la sua previsione. Da allora gli scienziati hanno cercato l’enigmatica particella di Majorana. È stato suggerito, ma non dimostrato, che il neutrino può essere una particella di Majorana. D’altra parte, i teorici hanno predetto che i fermioni di Majorana possono esistere,in condizioni speciali, anche nei solidi.

Prove di fermioni di Majorana

Ora il team guidato dal MIT ha osservato prove di fermioni di Majorana in un sistema di materiali che hanno progettato e fabbricato, che consiste in nanofili di oro coltivati ​​in cima a un materiale superconduttore, vanadio, e punteggiati da piccole “isole” ferromagnetiche di solfuro di europio. Quando i ricercatori hanno scannerizzato la superficie vicino alle isole, hanno visto picchi di segnale caratteristici vicino a energia zero sulla superficie superiore dell’oro che, teoricamente, dovrebbero essere generati solo da coppie di fermioni di Majorana.

I fermioni di Majorana sono queste cose esotiche, che per molto tempo si sognava di riuscire a vedere e ora le vediamo in un materiale molto semplice: l’oro”, afferma Jagadeesh Moodera, ricercatore senior presso il Dipartimento di Fisica del MIT. “Abbiamo dimostrato che sono lì, stabili e facilmente scalabili“.

La prossima spinta sarà quella di prendere questi oggetti e trasformarli in qubit, il che sarebbe un enorme progresso verso il calcolo quantistico pratico“, aggiunge il coautore Patrick Lee, professore di fisica presso il Massachusetts Institute of Technology.

I coautori di Lee e Moodera includono l’ex postdoc del MIT e il primo autore Sujit Manna (attualmente docente presso l’Indian Institute of Technology di Delhi), e l’ex postdoc del MIT Peng Wei dell’Università della California a Riverside, insieme a Yingming Xie e Kam Tuen Law of Hong Kong University of Science and Technology.

Alto rischio

Se potessero essere sfruttati, i fermioni di Majorana sarebbero ideali come qubit o singole unità computazionali per computer quantistici. L’idea è che si formerebbe un qubit di combinazioni di coppie di fermioni Majorana, ognuna delle quali sarebbe separata dal suo partner. Se gli errori di rumore riguardassero un membro della coppia, l’altro dovrebbe rimanere inalterato, preservando così l’integrità del qubit e consentendogli di eseguire correttamente un calcolo.

Gli scienziati hanno cercato i fermioni Majorana nei semiconduttori, i materiali utilizzati nell’informatica convenzionale basata sui transistor. Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno combinato i semiconduttori con i superconduttori, materiali attraverso i quali gli elettroni possono viaggiare senza resistenza. Questa combinazione conferisce proprietà superconduttive ai semiconduttori convenzionali, che secondo i fisici dovrebbero indurre le particelle nel semiconduttore a dividersi, formando la coppia di fermioni di Majorana.

Esistono diverse piattaforme di materiali in cui le persone credono di aver visto particelle di Majorana“, afferma Lee. “Le prove sono sempre più forti, ma non è ancora provato al 100%“.

Inoltre, le configurazioni basate su semiconduttori fino ad oggi sono state difficili da scalare per produrre le migliaia o milioni di qubit necessari per un pratico computer quantistico, perché richiedono la realizzazione di materiali molto difficili da trasformare in superconduttori di alta qualità.

Circa un decennio fa, Lee, lavorando con il suo studente Andrew Potter, ebbe un’idea: forse i fisici potrebbero essere in grado di osservare i fermioni Majorana nel metallo, un materiale che diventa facilmente superconduttivo in prossimità di un superconduttore. Gli scienziati trasformano regolarmente i metalli, incluso l’oro, in superconduttori. L’idea di Lee era di vedere se lo stato superficiale dell’oro – il suo strato superiore di atomi – potesse essere reso superconduttivo. Se ciò fosse stato possibile, l’oro sarebbe servito da sistema pulito e atomicamente preciso in cui i ricercatori avrebbero potuto osservare i fermioni di Majorana.

Lee ha propose, sulla base del precedente lavoro di Moodera con isolanti ferromagnetici, che se fosse stato posto dell’oro su uno stato di superficie superconduttiva, i ricercatori avrebbero avuto buone probabilità di vedere chiaramente le firme dei fermioni di Majorana.

Quando l’abbiamo proposto per la prima volta, non sono riuscito a convincere molti sperimentatori a provarlo, perché la tecnologia era scoraggiante“, afferma Lee, che alla fine ha collaborato con il gruppo sperimentale di Moodera per ottenere finanziamenti cruciali dalla Templeton Foundation per realizzare il progetto. “Jagadeesh e Peng hanno davvero dovuto reinventare la ruota. È stato estremamente coraggioso fare questo salto, perché è davvero un rischio elevato, ma pensiamo che sia una cosa ad alto rendimento“.

“Alla ricerca di Majorana”

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno caratterizzato lo stato superficiale dell’oro e hanno dimostrato che potrebbe funzionare come piattaforma per l’osservazione dei fermioni di Majorana, dopo di che il gruppo ha iniziato a fabbricare l’installazione che Lee aveva immaginato anni fa.

Hanno prima realizzato un foglio di vanadio superconduttore, sopra il quale hanno sovrapposto nanofili a strato d’oro, di circa 4 nanometri di spessore. Hanno testato la conduttività dello strato superiore dell’oro e hanno scoperto che, in effetti, è diventato superconduttivo in prossimità del vanadio. Si sono quindi depositati sulle “isole” di nanofili d’oro di solfuro di europio, un materiale ferromagnetico in grado di fornire i campi magnetici interni necessari per creare i fermioni di Majorana.

Il team ha quindi applicato una piccola tensione e utilizzato lo scanning tunneling microscopy, una tecnica specializzata che ha permesso ai ricercatori di scansionare lo spettro di energia intorno a ciascuna isola sulla superficie dell’oro.

Moodera e i suoi colleghi hanno quindi cercato una firma energetica molto specifica che solo i fermioni di Majorana dovrebbero produrre, se esistessero. In qualsiasi materiale superconduttore, gli elettroni viaggiano attraverso determinate gamme di energia. Esiste tuttavia un deserto, o “gap energetico” in cui non dovrebbero esserci elettroni. Se c’è un picco all’interno di questo divario è, molto probabilmente, una firma dei fermioni di Majorana.

Guardando attraverso i loro dati, i ricercatori hanno osservato picchi all’interno di questo gap energetico alle estremità opposte di diverse isole lungo la direzione del campo magnetico, che erano chiari segni di coppie di fermioni di Majorana.

Vediamo questo picco solo sui lati opposti dell’isola, come previsto dalla teoria“, afferma Moodera. “Ovunque altro, non lo vedi“.

Nei miei discorsi, mi piace dire che stiamo trovando Majorana, su un’isola in un mare d’oro“, aggiunge Lee.

Moodera afferma che la configurazione del team, che richiede solo tre strati – oro inserito tra un ferromagnete e un superconduttore – è un “sistema facilmente realizzabile e stabile” che dovrebbe anche essere economicamente scalabile rispetto agli approcci convenzionali basati su semiconduttori per generare qubit.

Vedere una coppia di fermioni di Majorana è un passo importante verso la creazione di un qubit“, afferma Wei. “Il prossimo passo è quello di ricavare un qubit da queste particelle e ora abbiamo alcune idee su come procedere“.

Credits

Questa ricerca è stata finanziata, in parte, dalla John Templeton Foundation, dagli Stati Uniti Office of Naval Research, dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti.

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