En el 2017 hubo un reporte sobre el descubrimiento de un tipo de partícula del tipo fermión de Majorana, el fermión chiral Majorana, al que se le refiere popularmente como «la partícula angelical». Sin embargo, parece haber sido una falsa alarma de acuerdo a una nueva investigación.
Los fermiones Majorana son partículas enigmáticas que actúan como sus propias antipartículas y se estableció la posibilidad de su existencia en 1937. Hay de hecho gran interés porque de existir, sus propiedades podrían servir para construir una computadora cuántica topológica.
Un equipo de físicos de la Universidad de Pennsylvania y de la Universidad de Wurzburg, en Alemania, liderados por Cui-Zu Chang, un profesor asistente de física en Penn State, estudiaron más de tres docenas de dispositivos similares al usado para producir la partícula angelical, como se mencionó en el reporte del 2017.
Así fue como encontraron que la característica que decían quer era la manifestación de esta partícula no podía ser inducida por la existencia de la partícula angelical. El 3 de enero del 2020 se publicó un artículo describiendo esta investigación en la revista Science.
«Cuando el físico italiano, Ettore Majorana, predijo la posibilidad de una nueva partícula la cual era su propia anti-partícula, poco se había hecho para entender las implicaciones de su idea tan imaginativa», dijo Nitin Samarth, cabeza del departamento de física en Penn State.
«Después de la predicción de Majorana hace ya 80 años, los físicos continúan en la búsqueda para hallar estos elusivos fermiones en los más recónditos lugares del universo».
En uno de tantos esfuerzos, los físicos de partículas usan observatorios bajo tierra, que buscan probar si esta fantasmal partícula -como el neutrino- que rara vez interactúa con la materia, pudiese ser un fermión Majorana.
En un frente completamente distinto, los físicos que estudian la materia condensada, buscan manifestaciones de los fermiones Majorana en los dispositivos de estado sólido que combinan los materiales cuánticos mas exóticos con superconductores.
En tales dispositivos los electrones -se teoriza- se visten como fermiones Majorana cociéndose como si se tratara de la construcción de un tejido, todo a partir de un aspecto fundamental de la mecánica cuántica, de la física relativista y de la topología.
En tales dispositivos los electrones -se teoriza- se visten como fermiones Majorana cociéndose como si se tratara de la construcción de un tejido, todo a partir de un aspecto fundamental de la mecánica cuántica, de la física relativista y de la topología.
Esta versión de analógica de los fermiones Majorana ha capturado la atención de los físicos de la materia condensada y ha dado un camino para la construcción de una computadora «topológica cuántica» cuyo qubits (la versión cuántica de los bits), se protegen inherentemente de la decoherencia, que es la pérdida de información que resulta cuando un sistema cuántico no está perfectamente aislado, lo cual es uno de los grandes problemas para el desarrollo de las máquinas cuánticas.
«Un primer paso importante para crear este distante sueño de la computadora topológica cuántica es demostrar con evidencia experimental, la existencia de los fermiones Majorana en la materia condensada», dice Chang. «En los últimos años, se ha dicho que existe tal evidencia pero la interpretación de tales experimentos sigue estando debatiéndose», comenta.
El equipo estudio dispositivos diseñados a partir de lo que se llama «un aislante de Hall cuántico anómalo», en donde el flujo de la corriente eléctrica sólo se da en el borde. Un estudio reciente predijo que cuando la corriente de borde está en un contacto limpio con un superconductor, se crean los fermiones Majorana y que la conductividad eléctrica del dispositivo debería «medio-cuantizarse» con un preciso campo magnético. El equipo de científicos de las universidades mencionadas estudiaron tres docenas de dispositivos con diferentes configuraciones de materiales, y hallaron que los dispositivos que tenían un contacto superconductor siempre tenían un valor medio-cuantizado, sin importar las condiciones del campo magnético. Esto ocurre porque el superconductor actúa como un corto eléctrico y esto no es indicativo de la presencia de los fermiones Majorana.
«El hecho de que los dos laboratorios en este trabajo hallan encontrado resultados consistentes usando una gran variedad de configuraciones, nos hace tener grandes dudas sobre la validez de los experimentos propuestos para observar a la partícula angelical», comenta Moses Chan, profesor emérito de física de la Universidad de Pennsylvania.
Y agrega Morteza Kayyalha, investigadora postdoctoral asociada en Penn State: «Me siento optimista de que la combinación de los aislantes cuánticos anómalos de Hall y la superconductividad, logren un esquema atractivo para hallar los fermiones Majorana. Sin embargo, nuestros teóricos insisten en re-pensar la geometría del dispositivo».
«Esto es una ilustración excelente de cómo la ciencia debería trabajar», dice Samarth. «Cuando se dice que hay un nuevo descubrimiento, hay que se cuidadosos examinándolo y reproduciéndolo. Todos nuestros estudiantes de postdoctorado trabajan duro para hacer pruebas rigurosas que muestren si son ciertos los resultados antes obtenidos. Estamos además asegurándonos de que nuestros métodos y datos sean compartidos de forma transparente con la comunidad, de manera que nuestros resultados se puedan evaluar críticamente por los colegas interesados», concluye.