En 1928, el físico Paul Dirac hizo la asombrosa predicción de que cada partícula fundamental en el universo tiene una antipartícula, su gemelo idéntico pero con carga opuesta. Cuando la partícula y la antipartícula se unieran, serían aniquiladas, liberando una gran cantidad de energía. Efectivamente, unos años después, se descubrió la primera partícula antimateria, el opuesto del electrón, el positrón, y la antimateria se convirtió rápidamente en parte de la cultura popular.
Pero en 1937, otro físico brillante, Ettore Majorana, introdujo un nuevo giro: predijo que en la clase de partículas conocidas como fermiones, que incluye el protón, neutrón, electrón, neutrino y quark, debería haber partículas que sean supropias antipartículas.
Ahora un equipo que incluye científicos de Stanford dice que ha encontrado la primera evidencia firme de tal fermión de Majorana. Fue descubierto en una serie de experimentos de laboratorio sobre materiales exóticos en la Universidad de California en colaboración con la Universidad de Stanford. El equipo fue dirigido porEl profesor asociado de UC-Irvine, Jing Xia, y el profesor de UCLA Kang Wang, y siguieron un plan propuesto por Shoucheng Zhang, profesor de física en Stanford, y sus colegas. El equipo informó los resultados el 20 de julio ciencia .
"Nuestro equipo predijo exactamente dónde encontrar el fermión Majorana y qué buscar como su firma experimental de 'pistola humeante'", dijo Zhang, un físico teórico y uno de los principales autores del trabajo de investigación ". Este descubrimiento concluye unode las búsquedas más intensivas en física fundamental, que abarcó exactamente 80 años ".
Aunque la búsqueda del famoso fermión parece más intelectual que práctica, agregó, podría tener implicaciones de la vida real para construir computadoras cuánticas robustas, aunque esto es cierto en el futuro.
El tipo particular de fermión Majorana que observó el equipo de investigación se conoce como fermión "quiral" porque se mueve a lo largo de un camino unidimensional en una sola dirección. Si bien los experimentos que lo produjeron fueron extremadamente difíciles de concebir, configurar y transportarfuera, la señal que producían era clara e inequívoca, dijeron los investigadores.
"Esta investigación culmina una búsqueda durante muchos años para encontrar fermiones quirales de Majorana. Será un hito en el campo", dijo Tom Devereaux, director del Instituto Stanford de Ciencias de Materiales y Energía SIMES en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC,donde Zhang es un investigador principal.
"Parece ser una observación realmente limpia de algo nuevo", dijo Frank Wilczek, físico teórico y premio Nobel en el Instituto de Tecnología de Massachusetts que no participó en el estudio. "No es fundamentalmente sorprendente, porque los físicos tienenDurante mucho tiempo pensaron que los fermiones de Majorana podrían surgir de los tipos de materiales utilizados en este experimento, pero reunieron varios elementos que nunca antes se habían reunido y diseñaron cosas para que este nuevo tipo de partícula cuántica se pueda observar en unforma limpia y robusta es un verdadero hito "
Buscar 'cuasipartículas'
La predicción de Majorana se aplicó solo a fermiones que no tienen carga, como el neutrón y el neutrino. Desde entonces, los científicos han encontrado una antipartícula para el neutrón, pero tienen buenas razones para creer que el neutrino podría ser su propia antipartícula, y hay cuatro experimentosen curso para averiguarlo, incluido EXO-200, la última encarnación del Observatorio Enriquecido de Xenón, en Nuevo México. Pero estos experimentos son extraordinariamente difíciles y no se espera que produzcan una respuesta durante aproximadamente una década.
Hace unos 10 años, los científicos se dieron cuenta de que los fermiones de Majorana también podrían crearse en experimentos que exploran la física de los materiales, y la carrera estaba en marcha para que eso sucediera.
Lo que han estado buscando son "cuasipartículas" - excitaciones en forma de partículas que surgen del comportamiento colectivo de los electrones en los materiales superconductores, que conducen la electricidad con una eficiencia del 100 por ciento. El proceso que da lugar a estas cuasipartículas es similaren la forma en que la energía se convierte en partículas "virtuales" de corta duración y nuevamente en energía en el vacío del espacio, de acuerdo con la famosa ecuación E = mc2 de Einstein. Si bien las cuasipartículas no son como las partículas que se encuentran en la naturaleza, se considerarían realesFermiones de majorana.
En los últimos cinco años, los científicos han tenido cierto éxito con este enfoque, informando que habían visto firmas prometedoras de fermiones de Majorana en experimentos con nanocables superconductores.
Pero en esos casos, las cuasipartículas estaban "unidas", fijadas a un lugar en particular, en lugar de propagarse en el espacio y el tiempo, y era difícil saber si otros efectos estaban contribuyendo a las señales que vieron los investigadores, dijo Zhang.
una 'pistola humeante'
En los últimos experimentos en UCLA y UC-Irvine, el equipo apiló películas delgadas de dos materiales cuánticos, un superconductor y un aislante topológico magnético, y envió una corriente eléctrica a través de ellos, todo dentro de una cámara de vacío refrigerada.
La película superior era un superconductor. La inferior era un aislante topológico, que conduce la corriente solo a lo largo de su superficie o bordes, pero no a través de su centro. Al juntarlos se creó un aislador topológico superconductor, donde los electrones se comprimen a lo largo de dos bordes del materialsuperficie sin resistencia, como los automóviles en una supercarretera.
Fue idea de Zhang ajustar el aislante topológico agregando una pequeña cantidad de material magnético. Esto hizo que los electrones fluyeran en un sentido a lo largo de un borde de la superficie y en sentido opuesto a lo largo del borde opuesto.
Luego, los investigadores pasaron un imán sobre la pila. Esto hizo que el flujo de electrones se ralentizara, se detuviera y cambiara de dirección. Estos cambios no fueron suaves, sino que se produjeron en pasos bruscos, como escaleras idénticas en una escalera
En ciertos puntos de este ciclo, surgieron cuasipartículas de Majorana, que surgieron en pares de la capa superconductora y se desplazaron a lo largo de los bordes del aislante topológico tal como lo hicieron los electrones. Un miembro de cada par se desvió del camino, permitiendo que elLos investigadores miden fácilmente el flujo de las cuasipartículas individuales que siguieron avanzando. Al igual que los electrones, disminuyeron la velocidad, se detuvieron y cambiaron de dirección, pero en pasos exactamente la mitad de los que tomaron los electrones.
Estos medios pasos fueron la evidencia de la pistola humeante que los investigadores habían estado buscando.
Es probable que los resultados de estos experimentos no tengan ningún efecto en los esfuerzos para determinar si el neutrino es su propia antipartícula, dijo el profesor de física de Stanford, Giorgio Gratta, quien desempeñó un papel importante en el diseño y planificación de EXO-200.
"Las cuasipartículas que observaron son esencialmente excitaciones en un material que se comporta como partículas de Majorana", dijo Gratta. "Pero no son partículas elementales y están hechas de una manera muy artificial en un material muy especialmente preparado. Es muy poco probable queocurren en el universo, aunque ¿quién somos nosotros? Por otro lado, los neutrinos están en todas partes, y si se descubren que son partículas de Majorana, demostraríamos que la naturaleza no solo ha hecho posible este tipo de partículas sino que, de hecho,, literalmente ha llenado el universo con ellos "
Añadió: "Donde se vuelve más interesante es que las analogías en física han demostrado ser muy poderosas. E incluso si son bestias muy diferentes, procesos diferentes, tal vez podamos usar uno para entender al otro. Quizás descubramos algo que esinteresante para nosotros también "
partícula de ángel
Lejos en el futuro, dijo Zhang, los fermiones Majorana podrían usarse para construir computadoras cuánticas robustas que no sean arrojadas por el ruido ambiental, lo que ha sido un gran obstáculo para su desarrollo. Dado que cada Majorana es esencialmente la mitad de una partícula subatómica,un solo qubit de información podría almacenarse en dos fermiones de Majorana ampliamente separados, disminuyendo la posibilidad de que algo los perturbe a los dos a la vez y les haga perder la información que llevan.
Por ahora, sugiere un nombre para el fermión quiral Majorana que descubrió su equipo: la "partícula angelical", en referencia al thriller de 2000 más vendido "Ángeles y demonios" en el que una hermandad secreta conspira para volar el Vaticano conuna bomba de tiempo cuyo poder explosivo proviene de la aniquilación de materia-antimateria. A diferencia del libro, observó, en el mundo cuántico del fermión Majorana solo hay ángeles, no demonios.
Video que muestra la teoría de fondo: http://www.youtube.com/watch?v=sbJSAOngiGI
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Glennda Chui. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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