20 de julio de 2017
Un experimento propuesto por los teóricos de Stanford encuentra evidencia para el fermión de Majorana, una partícula que es su propia antipartícula
Por Glennda Chui para Stanford News Julio 20 de 2017
En 1928, el físico Paul Dirac hizo la impresionante 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 reunían, serían aniquiladas, liberando un poof de energía. Con seguridad, unos años más tarde se descubrió la primera partícula de 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, el neutrón, el electrón, el neutrino y el quark, debería haber partículas que son sus propias antipartículas .
Ahora un equipo que incluye a 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 por el profesor asociado de UC-Irvine, Jing Xia, y el profesor Kang Wang de UCLA, y siguió un plan propuesto por Shoucheng Zhang, profesor de física en Stanford, y colegas. El equipo informó los resultados el 20 de julio en Science.
Shoucheng Zhang (Crédito de la imagen: Cortesía SLAC National Accelerator Laboratory)
"Nuestro equipo predijo exactamente dónde encontrar el fermión de Majorana y qué buscar como su firma experimental", dijo Zhang, físico teórico y uno de los principales autores del trabajo de investigación. "Este descubrimiento concluye una de las búsquedas más intensivas en física fundamental, que duró exactamente 80 años".
Aunque la búsqueda del famoso fermión parece más intelectual que práctico, añadió, podría tener implicaciones reales en la construcción de robustas computadoras cuánticas, aunque esto es cierto en el futuro.
El tipo particular de fermión de Majorana que el equipo de investigación observado se conoce como un fermión "quiral" porque se mueve a lo largo de una trayectoria unidimensional en una sola dirección. Si bien los experimentos que lo produjeron eran extremadamente difíciles de concebir, configurar y llevar a cabo, la señal que produjeron fue clara e inequívoca, dijeron los investigadores.
"Esta investigación culmina una persecución durante muchos años para encontrar fermiones quiral de Majorana. Será un hito en el campo ", dijo Tom Devereaux, director del Instituto de Stanford de Ciencias de Materiales y Energía (SIMES) en el Laboratorio Nacional de Aceleración de SLAC, donde Zhang es investigador principal.
"Parece ser una observación realmente limpia de algo nuevo", dijo Frank Wilczek, físico teórico y ganador del Premio Nobel del Instituto de Tecnología de Massachusetts que no participó en el estudio. "No es fundamentalmente sorprendente, porque los físicos han pensado durante mucho tiempo que los fermiones de Majorana podrían surgir de los tipos de materiales utilizados en este experimento. Pero ellos juntaron varios elementos que nunca habían sido reunidos antes, y las cosas de ingeniería para que este nuevo tipo de partículas cuánticas se puedan observar de una manera limpia y robusta es un verdadero hito ".
La Búsqueda de 'cuasipartículas'
La predicción de Majorana se aplicaba sólo a los fermiones que no tienen carga, como el neutrón y el neutrino. 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 experimentos en marcha para averiguar - incluyendo EXO-200, la última encarnación del Observatorio de Xenón Enriquecido, 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 raza estaba para hacer que eso sucediera.
Lo que han estado buscando son "casi partículas" - excitaciones semejantes a partículas que surgen del comportamiento colectivo de electrones en materiales superconductores, que conducen la electricidad con un 100 por ciento de eficiencia. El proceso que da origen a estas cuasiparticulas es similar a la forma en que la energía se convierte en partículas "virtuales" de corta vida y vuelve a la energía en el vacío del espacio, según la famosa ecuación de Einstein E = mc2. Si bien las cuasiparticulas no son como las partículas que se encuentran en la naturaleza, sin embargo serían consideradas verdaderas fermiones de Majorana.
Durante los últimos cinco años, los científicos han tenido cierto éxito con este enfoque, informando que habían visto firmas prometedoras de fermión de Majorana en experimentos que implicaban nanocables superconductores.
Pero en esos casos las cuasipartículas estaban "unidas" - fijadas a un lugar en particular, en vez de propagarse en el espacio y el tiempo - y era difícil saber si otros efectos estaban contribuyendo a las señales que los investigadores vieron, dijo Zhang.
Un "arma humeante"
En los últimos experimentos de UCLA, UC-Davis 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. El inferior era un aislador topológico, que conduce la corriente solamente a lo largo de su superficie o bordes pero no a través de su centro. Ponerlos juntos creó un aislante topológico superconductor, donde los electrones se cierran a lo largo de dos bordes de la superficie del material sin resistencia, como los coches en una autopista.
Era la idea de Zhang de ajustar el aislador topológico añadiendo una pequeña cantidad de material magnético. Esto hizo que los electrones fluyeran de una manera a lo largo de un borde de la superficie y la manera opuesta a lo largo del borde opuesto.
Entonces los investigadores barrieron 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 abruptos, como escaleras idénticas en una escalera.
En ciertos puntos de este ciclo, aparecieron las cuasiparticulas de Majorana, surgiendo en pares fuera de la capa superconductora y viajando a lo largo de los bordes del aislador topológico tal como lo hicieron los electrones. Un miembro de cada par fue desviado fuera del camino, permitiendo a los investigadores medir fácilmente el flujo de las cuasiparticulas individuales que seguían avanzando. Al igual que los electrones, disminuyeron la velocidad, se detuvieron y cambiaron de dirección, pero en pasos exactamente iguales a los que tomaron los electrones.
Estas medias escalas eran las pruebas de humo que los investigadores habían estado buscando.
Los resultados de estos experimentos no tendrán 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 especialmente preparado. Es muy improbable que ocurran en el universo, aunque ¿quiénes somos nosotros para decir? Por otro lado, los neutrinos están en todas partes, y si se encuentran que son partículas de Majorana, mostraríamos que la naturaleza no sólo ha hecho posible este tipo de partículas, sino que, de hecho, literalmente ha llenado el universo con ellas.
Añadió: "Cuando se pone más interesante es que las analogías en la física han demostrado ser muy poderosas. Y aunque sean bestias muy diferentes, diferentes procesos, tal vez podamos usar uno para entender el otro. Tal vez descubriremos algo que es interesante para nosotros también ".
Partícula ángel
En el futuro, Zhang dijo que los fermiones de Majorana podrían ser usados para construir computadoras cuánticas robustas que no sean eliminadas por el ruido ambiental, lo que ha sido un gran obstáculo para su desarrollo. Dado que cada Majorana es esencialmente una mitad de una partícula subatómica, un único qubit de información podría almacenarse en dos fermiones ampliamente separados de Majorana, disminuyendo la posibilidad de que algo pudiera perturbarlos a la vez y hacerles perder la información que llevan.
Por ahora, sugiere un nombre para el fermión quiral de Majorana que su equipo descubrió: la "partícula de ángel", en referencia al best-seller del thriller de 2000 "Ángeles y Demonios" en el que una cofradía secreta intenta volar el Vaticano con un tiempo Bomba cuyo poder explosivo proviene de la aniquilación materia-antimateria. A diferencia del libro, observó, en el mundo cuántico del fermión de Majorana sólo hay ángeles, no hay demonios.
Los materiales utilizados para este estudio fueron producidos en UCLA y UC Davis por un equipo liderado por el investigador postdoctoral Qing Lin He y el estudiante de posgrado Lei Pan. Científicos del Centro KACST de Excelencia en Nanotecnología Verde en Arabia Saudita, UC-Davis, Universidad Estatal de Florida, Universidad Fudan de Shanghai y Universidad Técnica de Shanghai también contribuyeron al experimento. Los principales fondos provienen del Centro SHINES, un Centro de Investigación de la Frontera Energética de UC-Riverside financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos de la Oficina de Ciencia. El trabajo de Zhang fue financiado por la Oficina de Ciencia del DOE a través de SIMES.
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Un experimento propuesto por los teóricos de Stanford encuentra evidencia para el fermión de Majorana, una partícula que es su propia antipartícula
En un descubrimiento que concluye una búsqueda de 80 años, los investigadores de Stanford y de la Universidad de California encontraron evidencia de partículas que son sus propias antipartículas. Estos "fermiones de Majorana" podrían algún día ayudar a que las computadoras cuánticas sean más robustas.
Por Glennda Chui para Stanford News Julio 20 de 2017
En 1928, el físico Paul Dirac hizo la impresionante 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 reunían, serían aniquiladas, liberando un poof de energía. Con seguridad, unos años más tarde se descubrió la primera partícula de 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, el neutrón, el electrón, el neutrino y el quark, debería haber partículas que son sus propias antipartículas .
Ahora un equipo que incluye a 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 por el profesor asociado de UC-Irvine, Jing Xia, y el profesor Kang Wang de UCLA, y siguió un plan propuesto por Shoucheng Zhang, profesor de física en Stanford, y colegas. El equipo informó los resultados el 20 de julio en Science.
Shoucheng Zhang (Crédito de la imagen: Cortesía SLAC National Accelerator Laboratory)
"Nuestro equipo predijo exactamente dónde encontrar el fermión de Majorana y qué buscar como su firma experimental", dijo Zhang, físico teórico y uno de los principales autores del trabajo de investigación. "Este descubrimiento concluye una de las búsquedas más intensivas en física fundamental, que duró exactamente 80 años".
Aunque la búsqueda del famoso fermión parece más intelectual que práctico, añadió, podría tener implicaciones reales en la construcción de robustas computadoras cuánticas, aunque esto es cierto en el futuro.
El tipo particular de fermión de Majorana que el equipo de investigación observado se conoce como un fermión "quiral" porque se mueve a lo largo de una trayectoria unidimensional en una sola dirección. Si bien los experimentos que lo produjeron eran extremadamente difíciles de concebir, configurar y llevar a cabo, la señal que produjeron fue clara e inequívoca, dijeron los investigadores.
"Esta investigación culmina una persecución durante muchos años para encontrar fermiones quiral de Majorana. Será un hito en el campo ", dijo Tom Devereaux, director del Instituto de Stanford de Ciencias de Materiales y Energía (SIMES) en el Laboratorio Nacional de Aceleración de SLAC, donde Zhang es investigador principal.
"Parece ser una observación realmente limpia de algo nuevo", dijo Frank Wilczek, físico teórico y ganador del Premio Nobel del Instituto de Tecnología de Massachusetts que no participó en el estudio. "No es fundamentalmente sorprendente, porque los físicos han pensado durante mucho tiempo que los fermiones de Majorana podrían surgir de los tipos de materiales utilizados en este experimento. Pero ellos juntaron varios elementos que nunca habían sido reunidos antes, y las cosas de ingeniería para que este nuevo tipo de partículas cuánticas se puedan observar de una manera limpia y robusta es un verdadero hito ".
La Búsqueda de 'cuasipartículas'
La predicción de Majorana se aplicaba sólo a los fermiones que no tienen carga, como el neutrón y el neutrino. 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 experimentos en marcha para averiguar - incluyendo EXO-200, la última encarnación del Observatorio de Xenón Enriquecido, 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 raza estaba para hacer que eso sucediera.
Lo que han estado buscando son "casi partículas" - excitaciones semejantes a partículas que surgen del comportamiento colectivo de electrones en materiales superconductores, que conducen la electricidad con un 100 por ciento de eficiencia. El proceso que da origen a estas cuasiparticulas es similar a la forma en que la energía se convierte en partículas "virtuales" de corta vida y vuelve a la energía en el vacío del espacio, según la famosa ecuación de Einstein E = mc2. Si bien las cuasiparticulas no son como las partículas que se encuentran en la naturaleza, sin embargo serían consideradas verdaderas fermiones de Majorana.
Durante los últimos cinco años, los científicos han tenido cierto éxito con este enfoque, informando que habían visto firmas prometedoras de fermión de Majorana en experimentos que implicaban nanocables superconductores.
Pero en esos casos las cuasipartículas estaban "unidas" - fijadas a un lugar en particular, en vez de propagarse en el espacio y el tiempo - y era difícil saber si otros efectos estaban contribuyendo a las señales que los investigadores vieron, dijo Zhang.
Un "arma humeante"
En los últimos experimentos de UCLA, UC-Davis 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. El inferior era un aislador topológico, que conduce la corriente solamente a lo largo de su superficie o bordes pero no a través de su centro. Ponerlos juntos creó un aislante topológico superconductor, donde los electrones se cierran a lo largo de dos bordes de la superficie del material sin resistencia, como los coches en una autopista.
Era la idea de Zhang de ajustar el aislador topológico añadiendo una pequeña cantidad de material magnético. Esto hizo que los electrones fluyeran de una manera a lo largo de un borde de la superficie y la manera opuesta a lo largo del borde opuesto.
Entonces los investigadores barrieron 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 abruptos, como escaleras idénticas en una escalera.
En ciertos puntos de este ciclo, aparecieron las cuasiparticulas de Majorana, surgiendo en pares fuera de la capa superconductora y viajando a lo largo de los bordes del aislador topológico tal como lo hicieron los electrones. Un miembro de cada par fue desviado fuera del camino, permitiendo a los investigadores medir fácilmente el flujo de las cuasiparticulas individuales que seguían avanzando. Al igual que los electrones, disminuyeron la velocidad, se detuvieron y cambiaron de dirección, pero en pasos exactamente iguales a los que tomaron los electrones.
Estas medias escalas eran las pruebas de humo que los investigadores habían estado buscando.
Los resultados de estos experimentos no tendrán 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 especialmente preparado. Es muy improbable que ocurran en el universo, aunque ¿quiénes somos nosotros para decir? Por otro lado, los neutrinos están en todas partes, y si se encuentran que son partículas de Majorana, mostraríamos que la naturaleza no sólo ha hecho posible este tipo de partículas, sino que, de hecho, literalmente ha llenado el universo con ellas.
Añadió: "Cuando se pone más interesante es que las analogías en la física han demostrado ser muy poderosas. Y aunque sean bestias muy diferentes, diferentes procesos, tal vez podamos usar uno para entender el otro. Tal vez descubriremos algo que es interesante para nosotros también ".
Partícula ángel
En el futuro, Zhang dijo que los fermiones de Majorana podrían ser usados para construir computadoras cuánticas robustas que no sean eliminadas por el ruido ambiental, lo que ha sido un gran obstáculo para su desarrollo. Dado que cada Majorana es esencialmente una mitad de una partícula subatómica, un único qubit de información podría almacenarse en dos fermiones ampliamente separados de Majorana, disminuyendo la posibilidad de que algo pudiera perturbarlos a la vez y hacerles perder la información que llevan.
Por ahora, sugiere un nombre para el fermión quiral de Majorana que su equipo descubrió: la "partícula de ángel", en referencia al best-seller del thriller de 2000 "Ángeles y Demonios" en el que una cofradía secreta intenta volar el Vaticano con un tiempo Bomba cuyo poder explosivo proviene de la aniquilación materia-antimateria. A diferencia del libro, observó, en el mundo cuántico del fermión de Majorana sólo hay ángeles, no hay demonios.
Los materiales utilizados para este estudio fueron producidos en UCLA y UC Davis por un equipo liderado por el investigador postdoctoral Qing Lin He y el estudiante de posgrado Lei Pan. Científicos del Centro KACST de Excelencia en Nanotecnología Verde en Arabia Saudita, UC-Davis, Universidad Estatal de Florida, Universidad Fudan de Shanghai y Universidad Técnica de Shanghai también contribuyeron al experimento. Los principales fondos provienen del Centro SHINES, un Centro de Investigación de la Frontera Energética de UC-Riverside financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos de la Oficina de Ciencia. El trabajo de Zhang fue financiado por la Oficina de Ciencia del DOE a través de SIMES.
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