Le possibilità di nuovi computer quantici col fermione di Maiorana

Il fermione di Maiorana

La particella sfuggente è proprio l'antiparticella osservata

Utilizzando un microscopio a due piani  in un laboratorio ultralento di vibrazioni al Princeton Jadwin Hall, gli scienziati hanno catturato una immagine luminosa di una particella conosciuta come "fermione di Majorana", arroccato alla fine di un filo sottile atomicamente - proprio dove  era previsto fosse dopo decenni di studio e di calcolo che risalgono al 1930."Questo è il modo più diretto di cercare il fermione di Majorana, come ci si aspetta di emergere ai margini di alcuni materiali, -ha detto Ali Yazdani, professore di fisica che ha guidato la ricerca- se si vuole trovare questa particella all'interno di un materiale è necessario utilizzare un simile microscopio."La caccia per il fermione di Majorana all'inizio della teoria quantistica, quando ci si rese conto che le equazioni implicavano l'esistenza di controparti "antimateria" per particelle comunemente note, come gli elettroni. Nel 1937, il fisico italiano Ettore Majorana ha previsto che un singola particella stabile potrebbe essere sia materia e antimateria. Da allora sono state osservate molte forme di antimateria, ma la combinazione di Majorana è rimasta elusiva.   Oltre alle implicazioni per la fisica fondamentale, la scoperta offre agli scienziati un importante progresso nella ricerca della computazione quantistica.In informatica quantistica, gli elettroni rappresentano non solo gli zeri e gli uno dei computer tradizionali, ma anche uno strano stato quantico che è sia un uno e uno zero. Questa struttura anomala, denominata sovrapposizione quantistica, offre grandi opportunità per la risoluzione di sistemi già incalcolabili, ma è incline a crollare in comportamenti convenzionali a causa di interazioni con il materiale nelle vicinanze. Nonostante unisca le qualità di solito pensate per annientare l'altro - la materia eantimateria - il fermione di Majorana è sorprendentemente stabile; piuttosto che essere distruttivo, le proprietà in conflitto rendono la particella neutra in modo che interagisce molto debolmente con l'ambiente. Questo distacco ha spinto gli scienziati a cercare modi per progettare il Majorana di materiali, che potrebbero fornire un modo molto più stabile di codifica dell'informazione quantistica, e quindi una nuova base per la computazione quantistica. Yazdani ha osservato che il fermione di Majorana e' vincolato all'interno di un materiale diverso per i fisici quindi la sua scoperta e' più iimportante della scoperta tanto pubblicizzata di particelle, come il bosone di Higgs, nel vuoto di acceleratori giganti. In tali esperimenti, si scontrano particelle ad alta velocità, producendo una pioggia di componenti libere ed effimere. Nei materiali, al contrario, l'esistenza di una particella dipende - o emerge dalle proprietà collettive degli atomi e delle forze che lo circondano.   Controllando queste interazioni, hanno detto i ricercatori, il loro fermione di Majorana sembrava "pulito e rimosso da eventuali particelle spurie", che sarebbe inevitabile in esperimenti con gli acceleratori ad alta energia. Questo è più eccitante e può effettivamente essere praticamente utile,-ha detto Yazdani-, perché permette agli scienziati di manipolare particelle esotiche per le potenziali applicazioni, come quantum computing."   Oltre ai loro potenziali usi pratici, il perseguimento delle Majoranas ha vaste implicazioni per altri settori della fisica. Gli scienziati ritengono , per esempio, che altre particelle sub-atomiche chiamate neutrini, capaci d'interagire molto debolmente e molto difficili da individuare, potrebbe essere un tipo di Majorana - un neutrino e un  antineutrino potrebbero essere la stessa particella. Inoltre, gli scienziati considerano le Majoranas come possibili candidati per la materia oscura, la sostanza misteriosa che si pensato essere la  maggior parte della materia nell'universo:  non è stata direttamente osservata, perché non interagisce direttamente con altre particelle.  Nonostante l'interesse scientifico, c'era poco progresso nella ricerca della particella fino al 2001, quando il fisico Alexei Kitaev ha previsto che, nelle giuste condizioni, un fermione di Majorana sembrerebbe posto a ciascuna estremità di un filo superconduttore. La superconduttività è il fenomeno in cui un materiale può trasportare elettricità senza alcuna resistenza.La previsione di Kitaev, inducendo alcuni tipi di superconduttività potrebbe causare la formazione di Majoranas. Queste particelle emergenti sono stabili e non si annichilano a vicenda (a meno che il filo  sia troppo corto) perché sono spazialmente separati.  Kitaev ha anche sottolineato come una tale particella possa essere sfruttato come un qubit, la base di un computer quantistico, particolare che ha aggiunto un impulso significativo alla ricerca.                                                                                                         Nel 2012, un team di ricercatori della Delft University of Technology nei Paesi Bassi avrebbe intravisto  fermioni di Majorana in un esperimento che ha indotto la superconduttività in un semiconduttore noto come indio antemonide. Hanno riferito molto forte evidenza per il caratteristico segnale elettrico di un Majorana neutro, fili nanometrici in queste materie.  Gli scienziati, tuttavia, hanno sostenuto che altri fenomeni potrebbero produrre lo stesso segnale, e Yazdani e il suo team hanno cercato di trovare un'osservazione più definitiva di fermioni di Majorana catturando una loro immagine. Nel 2013, Yazdani e Andrei Bernevig, professore associato di fisica, si sono uniti per proporre un nuovo approccio per come la particella di Majorana potrebbe verificarsi in materiali che combinano magnetismo e superconduttività. Hanno inoltre proposto che tale particella possa essere osservata utilizzando un dispositivo chiamato microscopio a scansione tunnel.

   Yazdani e Bernevig hanno svolto i loro esperimenti proposti attraverso la Princeton Centro per materiali complessi, un centro interdisciplinare nel campus finanziato dalla National Science Foundation. Risultati promettenti di quel lavoro hanno permesso di collaborare con il team Texas e  di vincere una borsa di 3000 mila dollari all'Office of Naval Research  per un programma chiamato Majorana base Research Challenge.      La configurazione creata inizia con un cristallo ultrapuro di piombo, i cui atomi naturalmente in  fila alternano righe che lasciano creste atomicamente sottili sulla superficie del cristallo. I ricercatori hanno poi depositati ferro puro in una di queste creste al fine  di creare un filo, solo un atomo di larghezza e spesso circa tre atomi.Considerando la sua larghezza ridotta, questo filo è molto lungo - se fosse una matita sarebbe un metro e mezzo dalla punta alla gomma.I ricercatori hanno poi messo il piombo e il filo di ferro incorporato sotto il microscopio a scansione tunnel e raffreddato il sistema di -272 gradi Celsius, appena un grado sopra lo zero assoluto. Dopo circa due anni di lavoro scrupoloso, hanno confermato che la superconduttività in filo di ferro abbina le condizioni richieste per fermione di Majorana da creare nei loro materiali.In definitiva, il microscopio è anche in grado di rilevare un segnale elettricamente neutro alle estremità dei fili, simili a quelli osservati nell'esperimento Delft. Tuttavia, l'impostazione ha anche permesso ai ricercatori di visualizzare direttamente come cambia il segnale lungo il filo, la mappatura in sostanza la probabilità quantistica di trovare il fermione di Majorana lungo il filo e individuare che appare alle estremità del filo."Ciò dimostra che questo segnale vive solo a bordo, -ha detto Yazdani- questa è l'indicazione della chiave. Se non si dispone,  allora questo segnale può esistere per molte altre ragioni."   Yazdani rileva che sebbene il setup sperimentale utilizzato per misurare e dimostrare l'esistenza di particelle di Majorana è molto complesso, il nuovo approccio è semplice per gli altri scienziati di riprodurre e utilizzare, ed è molto eccitante perché è molto semplice: si tratta di piombo e di ferro".                                                                       Nel corso dei loro esperimenti i ricercatori hanno scoperto che il loro approccio è ancora più facile da usare di quanto si pensi.Il loro sistema è quasi garantito per avere fermioni di Majorana, a patto che alcune caratteristiche generali del magnetismo e la superconduttività siano a posto. I calcoli eseguiti dal team di Austin guidato dal professor Allan MacDonald l'hanno confermato.  Bernevig ha aggiunto, "Finché si dispone di un forte materiale magnetico - come il ferro ma potrebbero essere altri magneti - in cui gli elettroni vengono magneticamente polarizzati (o elettroni sentono un campo magnetico molto forte), la possibile gamma di parametri in cui le Majoranas apparsi aumentano drammaticamente. " In precedenti proposte, la comparsa di Majoranas accadrebbe solo in una ristretta gamma di condizioni. In genere, è difficile avere la superconduttività e il magnetismo nello stesso materiale - campi magnetici normalmente uccidono la superconduttività.Ma nel metodo del team di Princeton, il campo magnetico è presente solo dove serve, sul filo, così la superconduttività si insinua dal piombo sottostante senza impedimenti.                                        "Una volta che hai, tutto ciò che serve sono alcuni effetti relativistici facili da indurre alla superficie di un elemento pesante come il piombo, e appariranno le Majoranas", ha detto Bernevig. "Ci aspettiamo che molti altri materiali producono queste particelle sfuggenti."