Alla ricerca della “particella dell’Angelo” il fermione chirale di Majorana

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Il caso della sfuggente Majorana: la cosiddetta “particella d’angelo” è ancora un mistero. Secondo una nuova ricerca, un rapporto del 2017 sulla scoperta di un particolare tipo di fermione di Majorana, il fermione chirale di Majorana, indicato come “particella d’angelo”, è probabilmente un falso allarme. I fermioni di Majorana sono particelle enigmatiche che agiscono come propria antiparticella e per la prima volta si ipotizzò che esistessero nel 1937. Sono di immenso interesse per i fisici perché le loro proprietà uniche potrebbero consentire loro di essere utilizzate nella costruzione di un computer quantistico topologico.

Uno stato quantico esotico noto come "fermione chirale di Majorana" è previsto in dispositivi in ​​cui un superconduttore è fissato sopra un isolante quantico anomalo di Hall (QAH) (pannello sinistro). Gli esperimenti condotti presso la Penn State e l'Università di Würzburg in Germania mostrano che la striscia superconduttore di dimensioni millimetriche utilizzata nella geometria del dispositivo proposta crea un cortocircuito elettrico, impedendo il rilevamento di Majoranas chirali (pannello di destra). Credito: Cui-zu Chang, Penn State
Uno stato quantico esotico noto come “fermione chirale di Majorana” è previsto in dispositivi in ​​cui un superconduttore è fissato sopra un isolante quantico anomalo di Hall (QAH) (pannello sinistro). Gli esperimenti condotti presso la Penn State e l’Università di Würzburg in Germania mostrano che la striscia superconduttore di dimensioni millimetriche utilizzata nella geometria del dispositivo proposta crea un cortocircuito elettrico, impedendo il rilevamento di Majoranas chirali (pannello di destra). Credito: Cui-zu Chang, Penn State

Un team di fisici a Penn State e all’Università di Würzburg in Germania guidati da Cui-Zu Chang, un assistente professore di fisica a Penn State ha studiato oltre tre dozzine di dispositivi simili a quello usato per produrre la particella di angelo nel rapporto del 2017. Scoprirono che era improbabile che la caratteristica che si affermava fosse la manifestazione della particella di angelo fosse indotta dall’esistenza della particella di angelo. Un articolo che descrive la ricerca appare il 3 gennaio 2020 sulla rivista Science.

“Quando il fisico italiano Ettore Majorana ha predetto la possibilità di una nuova particella fondamentale che è la sua stessa antiparticella, poco avrebbe potuto immaginare le implicazioni di lunga durata della sua idea immaginativa”, ha detto Nitin Samarth, capo dipartimento Downsbrough e professore di fisica a Penn Stato. “Oltre 80 anni dopo la previsione di Majorana, i fisici continuano a cercare attivamente le firme del “fermione di Majorana” ancora sfuggente in diversi angoli dell’universo.”

In uno di questi sforzi, i fisici delle particelle stanno usando osservatori sotterranei che cercano di provare se la particella simile a un fantasma conosciuta come il neutrino – una particella subatomica che interagisce raramente con la materia – potrebbe essere un fermione di Majorana. Su un fronte completamente diverso, i fisici della materia condensata stanno cercando di scoprire manifestazioni della fisica di Majorana in dispositivi a stato solido che combinano materiali quantistici esotici con superconduttori. In tali dispositivi, si ipotizza che gli elettroni si vestano da fermioni di Majorana cucendo insieme un tessuto costruito da aspetti fondamentali della meccanica quantistica, della fisica relativistica e della topologia. Questa versione analoga dei fermioni di Majorana ha catturato in particolare l’attenzione dei fisici della materia condensata perché può fornire un percorso per la costruzione di un “computer quantistico topologico” i cui qubit (versioni quantistiche di 0 e 1 binari) sono intrinsecamente protetti dalla decoerenza ambientale: la perdita di informazioni che risultano quando un sistema quantistico non è perfettamente isolato e un grave ostacolo nello sviluppo di computer quantistici.

“Un primo passo importante verso questo lontano sogno di creare un computer quantistico topologico è quello di dimostrare prove sperimentali definitive sull’esistenza di fermioni di Majorana nella materia condensata”, ha detto Chang. “Nel corso degli ultimi sette anni, diversi esperimenti hanno affermato di mostrare tali prove, ma l’interpretazione di questi esperimenti è ancora dibattuta.”

Il team ha studiato dispositivi realizzati a partire da un materiale quantistico noto come “isolante Hall anomalo quantistico” in cui la corrente elettrica scorre solo al limite. Un recente studio ha previsto che quando la corrente di bordo è in contatto pulito con un superconduttore, vengono creati i Fermioni chirali di Majorana, chirali e la conduttanza elettrica del dispositivo dovrebbe essere “semi-quantizzata” (un valore di e2 / 2h dove “e” è il carica dell’elettrone e “h” è costante di Planck), se soggetto a un campo magnetico preciso. Il team Penn State-Würzburg ha studiato oltre tre dozzine di dispositivi con diverse configurazioni di materiali e ha scoperto che i dispositivi con un contatto pulito superconduttore mostrano sempre il valore semi-quantizzato indipendentemente dalle condizioni del campo magnetico. Ciò si verifica perché il superconduttore si comporta come un corto elettrico e non è quindi indicativo della presenza del fermione di Majorana.

“Il fatto che due laboratori – a Penn State e a Würzburg – abbiano trovato risultati completamente coerenti utilizzando un’ampia varietà di configurazioni di dispositivi mette in serio dubbio la validità della geometria sperimentale teoricamente proposta e mette in discussione l’affermazione del 2017 di osservare la “particella dell’angelo”,  ha detto Moses Chan, anche professore emerito di fisica Pugh a Penn State.

“Rimango ottimista sul fatto che la combinazione di isolanti Hall anomali quantistici e superconduttività sia uno schema attraente per la realizzazione di Majorana’s chirali”, ha affermato Morteza Kayyalha, un ricercatore post-dottorato di ricerca presso Penn State che ha effettuato la fabbricazione e le misurazioni dei dispositivi. “Ma i nostri colleghi teorici devono ripensare la geometria del dispositivo.”

“Questa è un’eccellente illustrazione di come dovrebbe funzionare la scienza”, ha detto Samarth. “Richieste straordinarie di scoperta devono essere attentamente esaminate e riprodotte. Tutti i nostri postdocs e studenti hanno lavorato molto duramente per assicurarsi di aver effettuato test molto rigorosi delle affermazioni passate. Ci stiamo anche assicurando che tutti i nostri dati e metodi siano condivisi in modo trasparente con la comunità in modo che i nostri risultati possano essere valutati criticamente dai colleghi interessati “.

Fonte: Phis.org

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