Una cuasipartícula de Majorana observada en un nanohilo semiconductor recubierto de un superconductor

Fuente: Francis (th)E mule

Todas las partículas (elementales) que conocemos son bosones o fermiones. En un sólido se observan excitaciones que se comportan como partículas, las cuasipartículas, que pueden ser bosones o fermiones, pero también hay otras posibilidades. Mourik et al. publican en Science la observación de una cuasipartícula en un superconductor nanoestructurado que se comporta como una partícula de Majorana (dos partículas de Majorana acopladas se comportan como un fermión de Dirac). Una partícula (también llamada fermión) de Majorana es idéntica a su antipartícula, al contrario que un fermión de Dirac, cuyas cargas son opuestas a las de un antifermión. Hoy en día no se sabe si los neutrinos son fermiones (de Dirac) o son partículas de Majorana, pero la mayoría de los físicos apuesta por la primera posibilidad. Poder estudiar cuasipartículas de Majorana en superconductores promete aplicaciones en computación cuántica topológica. Nos lo cuenta Piet W. Brouwer, “Enter the Majorana Fermion,” Science 336: 989-990, 25 May 2012, que se hace del artículo técnico de V. Mourik et al., “Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices,” Science 336: 1003-1007, 25 May 2012.

Los electrones en un superconductor están apareados formando bosones (pares de Cooper) que se encuentran todos en el mismo estado energético +ε (formando un condensado de Bose-Einstein). Además de los electrones, en un superconductor los huecos (la ausencia de un electrón se comporta como una partícula) también se pueden aparear formando pares de Cooper, pero de energía opuesta −ε. La teoría predice la posible existencia de un par de Cooper con ε=0, que se comporta como una partícula de Majorana. La existencia de este estado está protegida topológicamente porque no hay ninguna perturbación continua que pueda deformar el espectro de energía de los pares de Cooper con y sin este estado. La figura muestra los niveles de energía del superconductor sin el estado de Majorana (izquierda) y con dicho estado (derecha); no hay ninguna transformación continua que transforme los niveles energéticos a la izquierda ne los de la derecha, pues siempre faltará un nivel energético dado. En el experimento de Mourik et al. se ha utilizado un nanohilo semiconductor de InSb recubierto con un superconductor NbTiN colocado en un gran campo magnético paralelo al nanohilo. Para cierta densidad de electrones, el nanohilo de InSb se vuelve superconductor y muestra el estado de Majorana; una vez que aparece este estado es robusto ante cambios en el campo magnético aplicado lo que demuestra que se trata de un estado topológico. Los resultados obtenidos por los autores se corresponden  con las predicciones teóricas, lo que confirma que se trata de un estado de Majorana.