Fermione Di Majorana e Spin Quantico Liquido, Arriva La “Prova Del Nove”

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E’ stato pubblicato su Nature Materials uno studio che dà la conferma definitiva dell’esistenza dei fermioni di Majorana e dello spin quantico liquido, un nuovo stato della materia

L’esperimento

Pochi giorni fa, sulla rivista Nature Materials, è comparso uno studio che decreta la fine dell’inseguimento, durato quasi un secolo, ad una delle particelle più inafferrabili della fisica: il fermione di Majorana. L’equipè di scienziati dell’Oak Ridge National Laboratory, struttura statunitense del Tennessee, non solo ha osservato questa particella (introvabile quanto il famoso Bosone di Higgs), ma è anche riuscita per la prima volta a creare in laboratorio un nuovo stato della materia: lo spin quantico liquido. Questo particolare stato della materia, teorizzato da Phil Anderson nel 1973, si presenta sui materiali magnetici e presenta un disordine e un caos che richiamano quello delle molecole di un liquido. Le similitudini però finiscono qui. A differenza dei liquidi normali che raffreddandosi riacquistano un ordine in questo caso il caos permane anche a temperature più basse. Mentre nei normali materiali magnetici i singoli elettroni si comportano come minuscole calamite che, man mano che la temperatura scende, si allineano con i poli magnetici puntando tutti nella stessa direzione, nei materiali nello stato spin quantico liquido anche vicino allo zero assoluto essi restano disallineati. Si viene a creare così una sorta di “zuppa” causata da fluttuazioni quantiche.La visualizzazione di tutto questo è stato possibile esponendo un materiale bidimensionale simile al grafene, ma composto da cristalli di tricloruro di rutenio (RuCl3), ad un fascio di neutroni. L’osservazione delle onde create dalla diffusione dell’urto anelastico dei neutroni con i cristalli ha evidenziato delle gobbe che ben si adattavano a quanto predetto teoricamente per lo spin quantico liquido. Uno dei misteri più interessanti e ostici della fisica quantistica pertanto è stato finalmente risolto, anche se questo non implica certo la fine degli studi sull’argomento. La porta è solo socchiusa, per ora…

Una particella inafferrabile

Photo credit Ettore_Majorana: Kanijoman via Foter.com / CC BY

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

Per anni il fermione di Majorana è stato pura e semplice teoria. Il fisico italiano, nel lontano 1938, ne aveva ipotizzato l’esistenza indicandolo come un’entità che si comportasse al tempo stesso da materia e antimateria. Il suo fermione rientrava in una più ampiateoria secondo la quale le equazioni sviluppate per la descrizione dei fenomeni macroscopici della fisica quantistica implicavano l’esistenza di una controparte, detta antimateria, per ogni particella nota. Pertanto all’elettrone, per citarne uno, doveva corrispondere un antielettrone (denominato poi in seguito positrone) con la stessa massa ma con carica opposta. Una lunga serie di esperimenti hanno permesso negli anni di osservare queste particelle ma di questo fermione di carica neutra non c’è stata traccia. Nel 2001 il fisico Alexei Kitaev sostenne che il fermione di Majorana sarebbe apparso alle estremità di un filo superconduttore. Secondo l’ipotesi dello scienziato, un determinato tipo di superconduttività realizzata su un filo sufficientemente lungo avrebbe indotto la formazione ai suoi estremi di fermioni di Majorana che non sarebbero andati incontro ad annichilazione. Seguendo questo spunto alcuni ricercatori della Delft University nel 2012 provarono a condurre un esperimento su un semiconduttore a base di antimoniuro di indio, ottenendo risultati promettenti che però non vennero riconosciuti come validi dalla comunità scientifica. Solo due anni dopo però  Ali Yazdani, assieme ai suoi collaboratori, riuscì a scovare all’estremità di un filo di ferro superconduttore la famigerata particella. Quella ricerca, con i suoi straordinari risultati, è stata la base dell’attuale studio condotto all’ Oak Ridge National Laboratory, lavoro che non solo dà la controprova definitiva dell’esistenza di questo fermione ma spalanca le porte su questo nuovo e promettente stato della materia.

Le possibili implicazioni

Quanto scoperto non ha una valenza scientifica fine a se stessa ma potrebbe avere delle applicazioni decisamente interessanti. Essere in grado di generare fermioni di Majorana , come nell’esperimento descritto su Nature Materials, potrebbe portare a un notevole balzo in avanti nella tecnologia legata ai computer. Utilizzando queste particelle come unità elementari si potrebbero realizzare infatti supercomputer quantistici in grado di far impallidire quelli attuali arrivando a prestazioni semplicemente impensabili fino ad ora. L’idea di un computer quantico che si serva di fenomeno legati alla fisica quantistica per il trattamento e l’elaborazione di informazioni non è nuova. Già nel 1982 il noto fisico Richard Feynman espose una sua idea su questo genere di macchine. Da allora, con il passare del tempo, molte scoperte ed innovazioni che potrebbero rendere realizzabile questo congegno si sono susseguite e numerosi campi di studi sono stati coinvolti, dalla nanotecnologia e spintronica alla crittografia fino alla logica quantistica. Sono già diverse le soluzioni tecnologiche che si prevede di utilizzare, dai nanotubi di carbonio per le memorie alla correlazione quantistica per la comunicazione fino a materiali superconduttori e autoassemblanti. Il fermione di Majorana potrebbe essere la “scintilla” per dar vita a tutto questo e portare ad un livello del tutto nuovo la tecnologia umana.

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