La primera evidencia fuerte del fermión de Majorana fue hallada en experimentos con materiales exóticos en la Universidad de California por el equipo científico de Jing Xia (UC-Irvine) y Kang Wang (UCLA), siguiendo el plan del Dr. Shoucheng Zhang, físico teórico de Stanford. El equipo informó sus resultados este 20 de julio en Science.
Partícula ángel”
El Dr. Zhang dijo que su equipo “predijo exactamente dónde encontrar el fermión de Majorana y qué buscar como firma experimental” en una de las búsquedas de física fundamental más intensivas a lo largo de 8 décadas.
El fermión de Majorana observado es el fermión “quiral” que se mueve en trayectoria unidimensional en una sola dirección. Con experimentos difíciles de concebir, configurar y llevar a cabo, la señal obtenida fue clara e inequívoca, según los investigadores.
Zhang sugirió “partícula ángel” para nombrar el descubierto fermión quiral de Majorana, en alusión al best-seller “Ángeles y Demonios”, en el que una cofradía secreta intenta detonar una bomba procedente de la aniquilación materia-antimateria.
“Esta investigación… Será un hito en el campo“, opinó Tom Devereaux , director del Instituto de Stanford en Ciencias de Materiales y Energía (SIMES) del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, donde Zhang es investigador.
“Al parecer es una observación muy limpia de algo nuevo”, dijo Frank Wilczek, físico teórico del MIT, quien agregó: “No es muy sorprendente, porque los físicos han pensado durante mucho tiempo que los fermiones de Majorana podrían surgir de los tipos de materiales utilizados en este experimento.”
“Pero ellos juntaron varios elementos que nunca habían sido reunidos antes y las cosas de ingeniería, para que este nuevo tipo de partícula cuántica se pueda observar de una manera limpia y robusta, es un verdadero hito”, reconoce el Premio Nobel.
Zhang estima que los fermiones de Majorana podrían usarse para mejorar las computadoras cuánticas. Como cada Majorana es la mitad de una partícula subatómica, un qubit de información podría almacenarse en dos fermiones de Majorana, con menos interferencias y pérdida de información.
8 décadas buscando ‘cuasiparticulas’
El físico Paul Dirac predijo en 1928 que cada partícula fundamental en el universo tiene una antipartícula o gemelo idéntico con carga opuesta que liberan energía cuando la partícula y la antipartícula se reúnen. Después se descubrió la primera partícula de antimateria.
En 1937 el físico Ettore Majorana predijo que en las partículas fermiones (que incluyen el protón, el neutrón, el electrón, el neutrino y el quark) existen partículas que son sus propias antipartículas.
La predicción de Majorana aplicada a fermiones sin carga encontró una antipartícula para el neutrón, estimándose que el neutrino podría ser su propia antipartícula. Cuatro difíciles experimentos relativos darán resultados en una década, incluyendo EXO-200 en el Observatorio de Xenón Enriquecido de Nuevo México.
Hace una década se determinó que los fermiones de Majorana también podrían crearse en experimentos de física de materiales, lo que llevó a buscar “cuasi partículas”, o excitaciones de partículas de comportamiento colectivo de electrones, en materiales superconductores, conductores de electricidad con total eficiencia.
“El proceso que origina estas cuasiparticulas es similar a la forma en que la energía se convierte en partículas “virtuales” de corta vida y vuelve a la energía en el vacío del espacio, según la famosa ecuación de Einstein E = mc2.”
Aunque las cuasiparticulas no son como las partículas de la naturaleza, podrían considerarse verdaderos fermiones de Majorana, enfoque en el que los científicos han trabajado durante cinco años, logrando avances en experimentos con nanocables superconductores.
Pero la “unión” de estas cuasipartículas -fijadas a un lugar sin propagarse en el espacio y el tiempo- ha dificultado saber si otros efectos contribuyen a las señales vistas por los investigadores, dijo Zhang.
Evidencias de la “partícula ángel”
Por su parte el equipo de Zhang apiló delgadas películas de materiales cuánticos -un superconductor y un aislante topológico magnético- enviando una corriente eléctrica a través de ellos en una cámara de vacío refrigerada.
Al unir el superconductor de la película superior y el aislador topológico de la película inferior para conducir la corriente en superficie y bordes pero no al centro, crearon un aislante topológico superconductor donde los electrones se cierran sin resistencia en los bordes.
Zhang ajustó el aislador topológico con material magnético para que los electrones fluyeran en un borde de la superficie y de manera opuesta en el otro borde. Luego imantaron la orilla ocasionando que el flujo de electrones se ralentizara, se detuviera y cambiara de dirección en abruptos pasos escalonados.
En ciertos puntos del ciclo las cuasiparticulas de Majorana aparecieron en pares fuera de la capa superconductora, viajando en los bordes del aislador topológico tal como los electrones, disminuyendo velocidad, deteniéndose y cambiando dirección, con lo que los investigadores encontraron las pruebas que buscaban.
Pero tales resultados no determinan si el neutrino es su propia antipartícula, dijo Giorgio Gratta, físico de EXO-200, para quien “Las cuasipartículas observadas son esencialmente excitaciones en un material que se comportan como partículas de Majorana”.
Ya que “no son partículas elementales y están hechas de manera muy artificial en un material especialmente preparado. Es muy improbable que ocurran en el universo, aunque ¿quiénes somos nosotros para decirlo? Si los neutrinos están en todas partes y se encuentra que son partículas de Majorana, mostraríamos que la naturaleza no sólo ha hecho posible este tipo de partículas, sino que… ha llenado el universo con ellas”, agregó Gratta.
Y anotó: “Lo más interesante es que las analogías en la física han demostrado ser muy poderosas”, así que aunque son especies y procesos diferentes “tal vez podamos usar uno para entender el otro” y “descubramos algo que es interesante”.https://www.lagranepoca.com/ciencia-y-tecnologia
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