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MATERIA CONDENSADA

Cómo detectar una partícula esquiva

Un equipo brasileño propone una nueva estrategia para verificar la existencia de fermiones previstos teóricamente

Léo RamosUn grupo de investigadores brasileños acaba de idear y proponer algunos experimentos que, a juicio de ellos, permitirían confirmar de una vez por todas, la existencia de una de las partículas más esquivas previstas por los físicos teóricos: los denominados fermiones de Majorana, o simplemente majoranas, que han eludido todos los intentos de detección experimental. En 2012, se publicaron con gran júbilo en la revista Science, resultados que finalmente parecían demostrar la existencia de dichas partículas, pero esos hallazgos fueron después cuestionados. Pero ahora, un equipo brasileño de físicos teóricos que estudian la materia condensada creó un nuevo “modelo” para superar ese impasse y captar de una vez y para siempre a los majoranas, algo que podría traer implicaciones interesantes para el futuro de la denominada computación cuántica. Esta área de investigación, que plantea el aprovechamiento de las propiedades del mundo subatómico para la realización de operaciones computacionales avanzadas, podría beneficiarse con el uso de esas partículas para el procesamiento de información y la realización de cálculos, dado que los majoranas permitirían crear sistemas más estables que los que emplean partículas eléctricamente cargadas, como es el caso de los electrones.

Las estrategias, que se publicaron este año en el periódico Physical Review B, son obra de José Carlos Egues, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP) en São Carlos, y su equipo, integrado por Edson Vernek, físico de la Universidad Federal de Uberlândia que actualmente realiza una pasantía de posdoctorado con Egues, Poliana Penteado, de la USP en São Carlos, y Antonio Carlos Seridonio, de la Universidade Estadual Paulista (Unesp) de Ilha Solteira. “Planteamos una propuesta detallada, con tres formas diferentes de construcción de ese sistema, en las cuales se podría verificar la presencia del mentado modo de Majorana”, afirma Egues, coordinador del trabajo, que fue presentado en forma destacada en una sección de la Physical Review B intitulada Sugerencia del editor, donde se recomiendan los artículos más interesantes de cada edición. Egues subraya sin embargo que sería necesaria una extrema habilidad técnica para llevar las propuestas a la práctica.

En cierto modo, parece adecuado que esas partículas ostenten un aura de misterio, puesto que llevan el nombre del científico que propuso su existencia, el siciliano Ettore Majorana, quien nació en 1906 y, luego de una carrera meteórica, desapareció sin dejar rastros en 1938, durante una travesía marítima entre Palermo y Nápoles. Ciertos mensajes dejados por el físico insinúan que habría resuelto suicidarse, pero nunca se halló su cuerpo, lo cual incitó el surgimiento de hipótesis rocambolescas, tales como una fuga hacia Argentina o su ingreso en un monasterio.

Sea como sea, alrededor de un año antes de su último viaje en barco, Majorana encontró una solución innovadora para la ecuación de Dirac, la cual, originalmente, describía el comportamiento de partículas tales como los electrones, con carga eléctrica y espín (una propiedad vagamente análoga a la rotación de un planeta) equivalente a ½. En el caso particular de los electrones, este comportamiento está descrito por la expresión de una función de onda compleja, que representa a las partículas eléctricamente cargadas. Al trabajar con variantes de la ecuación de Dirac ‒una fórmula matemática propuesta por el físico británico Paul Dirac para describir a los electrones‒, Majorana descubrió que otro tipo de partículas podría describirse mediante la expresión de una función de onda real. Serían partículas sin carga eléctrica, a las que hoy se denomina majoranas.

“Están los que sostienen que uno de los tipos de neutrinos podría ser el majorana, pero las investigaciones en física de partículas nunca arribaron a una conclusión definitiva”, dice Egues. Frente a ello, los físicos comenzaron a buscar la partícula en la materia condensada ‒por ejemplo, en circuitos electrónicos u otros materiales producidos en laboratorio‒, y no en las colisiones de alta energía de los aceleradores. En realidad, ellos investigan si, en la materia condensada, un grupo de electrones podría comportarse como si fueran una única partícula majorana.

Hilos cuánticos
Uno de los principales caminos para esa búsqueda implica la creación de los denominados hilos cuánticos, sistemas sobre los cuales Egues y sus colegas publicaron este mismo año otro artículo en la Physical Review B, también resaltado como Sugerencia del editor. Desde un punto de vista intuitivo, tal vez la palabra “hilos” no sea el mejor término para describir el dispositivo, porque lo más común es que se trate de una especie de canal o cable, con milésimas o millonésimas de milímetro de calibre. Se lo genera a partir de una placa metálica sobre la cual los investigadores aplican un delicado conjunto de campos eléctricos, de tal modo que “barren” hacia ambos lados a los electrones que se encuentran circulando por el material. En su zona central aparece un canal, al que puede comprimírselo”, dice Egues. A partir de ahí, se pueden inyectar electrones en el hilo o alambre.

El paso siguiente consiste en acoplar al hilo cuántico un superconductor, o sea, un material por el cual los electrones puedan fluir sin impedimento, sin la resistencia eléctrica que caracteriza a los metales comunes. En el contexto físicamente exótico de los superconductores, ese desplazamiento no ocurre por medio de electrones individuales, sino por los denominados pares de Cooper, que, a grandes rasgos, son pares de electrones que se “fundieron” a punto tal de formar lo que parece ser una única entidad. “La idea consiste en que, una vez que se disponga de un superconductor muy similar al del material de hilo cuántico, los electrones del material normal pasarán a ser ‘contaminados’ por los pares de Cooper”, explica Egues.

Con un diseño experimental similar, Leo Kouwenhoven y sus colegas de la Universidad Delft de Tecnología, en Holanda, afirmaron haber detectado majoranas ubicadas en los extremos del sistema, al principio y final del hilo cuántico. Ese hallazgo “in fraganti” fue posible por medio de la detección de un pico de conductividad eléctrica en un nivel de energía en el cual eso no debería ocurrir. “No obstante, se propusieron otras interpretaciones, y el tema nunca pudo ser resuelto”, relata el físico de la USP.

En el nuevo diseño experimental propuesto por Egues y sus colegas, la duda se podría dilucidar agregándole al sistema un quantum dot, o punto cuántico, al que se podría describir como el equivalente esférico del hilo cuántico, producido por el mismo confinamiento de electrones. Los cálculos del equipo brasileño indican que, con ese esquema, el majorana abandonaría el alambre, desplazándose hacia el punto cuántico. De esa manera, aparece un nuevo nivel de energía “que no se hallaba presente en el punto cuántico”, permaneciendo siempre presente en el sistema y, por lo tanto, excluyendo, en principio, todas las posibles explicaciones, excepto la presencia de los majoranas. “Cabe resaltar que los majoranas que aparecen en los experimentos con materia condensada no son partículas elementales”, recuerda Egues. “En esos ensayos se manifiestan como partículas confinadas que se comportan siguiendo ecuaciones similares a las que dedujo Majorana y producen efectos mensurables”.

“No creo que, al menos por ahora, resulte posible llevar a cabo ese experimento en Brasil. No se trata de una cuestión de dinero, sino de know how e ingeniería cuántica”, afirma Egues. En opinión del físico, se necesita contar con una gran especialización en cada uno de los componentes del sistema. “El propio equipo de Kouwenhoven, que estudia desde los años 1980, no comprende muy bien cómo funciona todo”, remarca.

Si se confirma la existencia de estas partículas, podría abrirse un campo fértil para una investigación básica más amplia y aplicaciones tecnológicas, según él. Al no poseer carga, a diferencia de los electrones, los majoranas estarían mejor protegidos de influencias externas y podrían, en teoría, funcionar como plataformas más estables para la manipulación de sus estados cuánticos. Además, permitirían ciertas operaciones informáticas complejas que no pueden efectuarse con electrones. “Pero está claro que, antes que nada, se necesita hallarlos”, bromea.

Proyecto
Fermiones de Majorana en hilos y pozos cuánticos de superconductores topológicos (nº 2012/ 20199-3); Modalidad Beca en el País – Regular – Posdoctorado; Investigador responsable  José Carlos Egues (IFSC-USP); Becario Edson Vernek; Inversión R$ 170.950,58 (FAPESP).

Artículos científicos
VERNEK, E. et al. Subtle leakage of a Majorana mode into a quantum dot. Physical Review B. v. 89, 165.340. 30 abr. 2014.
HACHIYA, M. O.; USAJ, G.; y EGUES, J.C. Ballistic spin resonance in multisubband quantum wires. Physical Review B. v. 89, 125.510. 25 mar. 2014.

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