Los científicos de la Universidad de Princeton utilizaron un microscopio de exploración de túneles para mostrar la estructura atómica de un cable de hierro en un átomo de ancho en una superficie de plomo. La parte ampliada de la imagen muestra la probabilidad cuántica del contenido en el cable de una partícula esquiva llamada fermión de Majorana. Es importante tener en cuenta que la imagen muestra partículas al final del cable, que es exactamente donde los cálculos teóricos predijeron durante muchos años.
Si pensaste que la búsqueda del bosón de Higgs, una partícula escurridiza que da masa a la materia, fue épica, entonces piensa en los físicos que intentaban encontrar una manera de descubrir otra partícula subatómica oculta desde la década de 1930, cuando apareció la primera suposición al respecto.
Pero ahora, gracias al uso de 2 microscopios grandes fantásticos, se ha descubierto esta partícula muy extraña y potencialmente revolucionaria.
Imagine el fermión de Majorana, una partícula que también es su propia antipartícula, candidata a la materia oscura y un posible mediador de la computación cuántica.
Fermion Majorana lleva el nombre del físico italiano Ettore Majorana, quien formuló una teoría que describe esta partícula única. En 1937, Majorana predijo que una partícula estable puede existir en la naturaleza, que es tanto materia como antimateria. En nuestra experiencia cotidiana también hay materia (que se encuentra en abundancia en nuestro Universo) y antimateria (que es extremadamente rara). Si la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan y desaparecen en un destello de energía. Uno de los mayores misterios de la física moderna es cómo el Universo se convirtió en más materia que antimateria. La lógica dicta que la materia y la antimateria son partes de la misma cosa, como los lados opuestos de una moneda, y deberían haberse creado al mismo ritmo. En este caso, el universo habría sido destruido antes de que pudiera establecerse. Sin embargo, algunos procesos después del Big Bang muestran que se produjo más materia que antimateria, por lo que es importante que la materia gane, lo que llena el Universo que conocemos y amamos hoy.
Sin embargo, el fermión de Majorana es diferente en sus propiedades y también es un antipartícula. Mientras que el electrón es materia, y el positrón es la partícula antimaterial del electrón, el fermión de Majorana es tanto materia como antimateria. Es esta dualidad material / antimaterial la que ha hecho que esta pequeña bestia sea tan difícil de rastrear en los últimos 8 años. Pero los físicos lo hicieron, y para llevar a cabo la tarea, se necesitó un ingenio tremendo y un microscopio enormemente grande.
La teoría muestra que el fermión de Majorana debe extenderse al borde de otros materiales. Así, un equipo de la Universidad de Princeton creó un cable de hierro en un átomo de espesor en la superficie del cable e hizo un aumento en el extremo del cable utilizando un mega microscopio en el laboratorio de vibraciones ultra bajas en Yadwin Hall en Princeton.
"Esta es la forma más fácil de ver el fermión de Majorana, que se espera que se cree en el borde de algunos materiales", dice el destacado físico Ali Yazdani de la Universidad de Princeton, Nueva Jersey, en un comunicado de prensa. "Si quieres encontrar esta partícula dentro del material, debes usar un microscopio que te permita ver dónde está realmente". La investigación de Yazdani se publicó en la revista Science el jueves (2 de octubre). La búsqueda del fermoion Majorana es significativamente diferente de la búsqueda de otras partículas subatómicas, que son más iluminadas en la prensa amplia. La caza del bosón de Higgs (y partículas similares) requiere que los aceleradores más potentes del planeta generen la enorme colisión de energía necesaria para simular las condiciones poco después del Big Bang. Esta es la única forma de aislar el bosón de Higgs en rápida descomposición y luego estudiar los productos de su descomposición.
Por el contrario, el fermión de Majorana solo se puede detectar en una sustancia por su efecto sobre los átomos y las fuerzas que lo rodean, por lo que no se requieren aceleradores potentes, pero es necesario el uso de microscopios potentes de tunelización. También se requiere un ajuste muy fino del material de destino para que el fermión de Majorana se aísle y muestre.
Este estricto control requiere un enfriamiento extremo de los alambres de hierro delgados para garantizar la superconductividad. La superconductividad se logra cuando las fluctuaciones térmicas de un material se reducen hasta tal punto que los electrones pueden pasar a través de este material con resistencia cero. Al reducir el objetivo a 272 grados Celsius, a un grado por encima del cero absoluto o 1 Kelvin, se pueden lograr las condiciones ideales para la formación del fermión de Majorana.
"Esto demuestra que esta señal (de Majorana) existe solo en el borde", dijo Yazdani. "Esta es una firma clave. Si no lo tiene, entonces esta señal puede existir por otras razones ". Los experimentos anteriores eliminaron posibles señales del fermión de Majorana en instalaciones similares, pero esta es la primera vez que aparece una señal de partícula en particular, después de eliminar todas las fuentes de interferencia, exactamente en el lugar donde se prevé que se encuentre. "Esto solo se puede lograr a través de una configuración experimental, simple y sin el uso de materiales exóticos que podrían interferir", dijo Yazdani.
"Lo que es interesante es que es muy simple: es plomo y hierro", dijo.
Ahora se ha encontrado que hay algunas oportunidades interesantes para varias áreas de la física moderna, la ingeniería y la astrofísica.
Por ejemplo, el fermión de Majorana interactúa débilmente con la materia ordinaria, al igual que el neutrino fantasmal. Los físicos no están seguros de si los neutrinos tienen una antipartícula separada o, como el fermoion de Majorana, es su propia antipartícula. Los neutrinos abundan en el universo, y los astrónomos a menudo señalan que los neutrinos son una gran parte de la materia oscura que se cree que llena el Cosmos. Probablemente, los neutrinos son lo mismo que las partículas de Majorana y Fermiones. Majorana también son candidatos para la materia oscura.
También hay una aplicación industrial potencialmente revolucionaria si los físicos pueden codificar la materia con fermiones de Majorana. Actualmente, los electrones se utilizan en la computación cuántica, lo que potencialmente crea computadoras que pueden resolver sistemas innumerables en un instante. Pero los electrones son muy difíciles de controlar y, a menudo, violan los cálculos después de interactuar con otros materiales a su alrededor. Sin embargo, el fermión de Majorana, que interactúa de manera extremadamente débil con el material, es sorprendentemente estable debido a su dualidad material / antimaterial. Por estas razones, los científicos pueden usar esta partícula, técnicamente aplicándola a los materiales, codificando y, posiblemente, descubriendo más y más métodos nuevos de computación cuántica.
Por lo tanto, aunque su descubrimiento no crea el drama y el pegado de partículas relativistas en las cámaras de vacío de los detectores de LHC, el descubrimiento más sutil de la Majorana puede desarrollar un nuevo enfoque de la materia oscura y hacer una revolución en la computación.
Y, tal vez, la espera de 80 años para su apertura valió la pena, después de todo.
