Ilustración de una partícula de Majorana, cuyo control obsesiona a los físicos desde hace años
Ilustración de una partícula de Majorana, cuyo control obsesiona a los físicos desde hace años - Archivo

Logran «domesticar» a la partícula de Majorana, la única que es materia y antimateria a la vez

Por primera vez, un equipo de investigadores consigue «encender y apagar» estas partículas a voluntad, lo que constituye un gran avance hacia la futura computación cuántica

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Si hay una partícula que realmente merezca el título de misteriosa, (por lo menos tanto como el científico italiano al que debe su nombre), esa es la de Majorana, cuya búsqueda se ha convertido en una auténtica obsesión para los físicos.

Y no es de extrañar que así sea. Su fama, en efecto, se debe a sus extrañas propiedades, entre las que destaca la de ser la única partícula conocida que es, a la vez, su propia antipartícula (es decir, materia y antimateria al mismo tiempo). Y eso la convierte en un objetivo prioritario para el desarrollo de la futura computación cuántica.

Durante los últimos años, varios grupos de investigadores han conseguido encontrar la Majorana en varios tipos de materiales, pero a día de hoy nadie sabe cómo manipular esos extraños entes para extraerles todo su potencial.

Ahora, en un nuevo estudio recién publicado en «Science» por un equipo de la Universidad de Princeton, los investigadores explican un posible método para «domesticar» las partículas de Majorana en un entorno que, además, las hace más resistentes, evitando que se destruyan (como sucede en otros experimentos) debido al calor o a las vibraciones ambientales del exterior. Además, los físicos demostraron también una forma de «encender y apagar» la Majorana, utilizando una serie de pequeños imanes integrados en el dispositivo.

«Gracias a este nuevo estudio -asegura Ali Yazdani, autor principal del artículo- ahora tenemos una nueva forma de diseñar las quasipartículaas de Majorana en en interior de materiales. Podemos verificar su existencia con imágenes y podemos caracterizar sus propiedades».

Una partícula teorizada en 1937

La partícula debe su nombre al físico italiano Ettore Majorana, que predijo su existencia en 1937, justo un año antes de desaparecer de forma misteriosa durante un viaje en barco por las costas italianas. Siguiendo la misma lógica con la que el físico Paul Direc predijo en 1928 que el electrón debía tener una antipartícula, que más tarde se identificó como positrón, Majorana propuso y teorizó la existencia de una partícula que fuera, al mismo tiempo, su propia antipartícula.

Normalmente, cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan mutuamente en una violenta liberación de energía. Pero las Majoranas, cuando aparecen por pares en los experimentos especialmente diseñados para verlas, permanecen relativamente estables e interactúan debilmente con su entorno.

Esas parejas, en teoría, permiten el almacenamiento de información cuántica en dos ubicaciones diferentes, lo cual las hace más resistentes a las perturbaciones, porque alterar su estado cuántico requeriría operar en los dos lugares simultáneamente.

Su aplicación en la computación cuántica

Es precisamente esta capacidad la que ha cautivado a los tecnólogos, que buscan cómo utilizar las Majoranas para hacer bits cuánticos (las unidades de la computación cuántica) más estables y robustos que los actuales. Como es sabido, los ordenadores cuánticos tienen el tremendo potencial de abordar problemas imposibles de resolver con las computadoras actuales, pero para ello necesitan mantener estable un delicado y fragil estado, llamado superposición, que si se interrumpe hace fallar todo el sistema.

Pero un ordenador cuántico basado en partículas de Majorana almacenaría toda la información en pares de partículas, y llevaría a cabo los cálculos entrelazándolas entre sí. Los resultados del cálculo se determinarían después por medio de la aniquilación mutua de las Majoranas, lo que resultaría en la aparición de un electrón (detectable por su carga), o en nada, según cómo se hayan enlazado las Majoranas. El resultado probabilístico de esa aniquilación es la base para llevar a cabo cálculos cuánticos.

Una forma para dominar a las Majoranas

Pero nadie hasta ahora había averiguado cómo controlar a las Majoranas. Uno de los lugares en los que estas partículas pueden existir es en los extremos de una cadena de átomos magnéticos, de un solo átomo de espesor y sobre una base superconductora. Ya en 2014, Yazdani y su equipo usaron un microscopio de efecto túnel para revelar la presencia de Majoranas en ambos extremos de una cadena de átomos de hierro que reposaban sobre una superficie superconductora.

En realidad, lo que detectaron los físicos fue el spin, o «giro cuántico», de la Majorana, una propiedad compartida también por los electrones y otras partículas subatómicas. En un artículo publicado en 2017 en «Science», el equipo declaró que el spin de Majorana es una señal única que permite determinar si una partícula detectada es, o no, realmente una Majorana.

Pero en el estudio actual, los investigadores han explorado otra posible localización para buscar Mejoranas: en el canal que se forma en el borde de un aislante topológico cuando éste se pone en contacto con un superconductor. Los superconductores son materiales en los que los electrones pueden viajar sin encontrar resistencia, y los aislantes topológicos son materiales que permiten a los electrones fluir solo a lo largo de sus bordes.

La teoría predice que las quasipartículas de Majorana pueden formarse en el borde de una lámina delgada de aislante topológico que entra en contacto con un bloque de material superconductor. La proximidad del superconductor hace que los electrones fluyan sin resistencia a lo largo del borde del aislante topológico, que es tan delgado que puede considerarse como un cable. Y dado que las Majoranas se forman al final de los cables, debería ser posible hacer que aparezcan por el simple procedimiento de cortar esos cables.

«Era solo una predicción -afirma Yadani-. Y estaba ahí, esperándonos todos estos años. Decidimos investigar cómo podríamos hacer realidad esta estructura, ya que tiene un gran potencial para hacer que las Majoranas sean más resistentes ante las imperfecciones y temperatura del material».

Los investigadores se pusieron manos a la obra y construyeron la estructura, por medio de la evaporación de una delgada lámina de aislante topológico de bismuto sobre un bloque superconductor de niobio. Para añadirle un campo magnético, también colocaron en la estructura micropartículas magnéticas, capaces de desviar el flujo de electrones, lo que equivaldría (y tendría el mismo efecto) que cortar el cable. Para visualizarlo todo, utilizaron un microscopio de efecto túnel.

Majoranas imprevisibles e imanes interruptores

Pero cuando usaron el microscopio para visualizar las Majoranas, los investigadores se quedaron perplejos. Y es que a veces, como estaba previsto, aparecían las Majoranas, pero en otras ocasiones no lograron encontrarlas. Tras muchos intentos, se dieron cuenta por fin de que la Majorana solo aparece cuando los pequeños imanes se magnetizan en la dirección paralela al flujo de electrones que recorre el canal.

De esta forma, cayeron en la cuenta de que esos imanes eran, precisamente, la forma de controlar a las partículas. La forma en que se orienta el campo magnético era lo que determinaba si la Majorana aparecía o no. En palabras de Yazdani «encontramos un interruptor de encendido y apagado».

En su artículo, los físicos explican que la cuasipartícula de Majorana que se forma en este sistema es bastante robusta, porque ocurre en un rango de energías diferente al de las otras cuasipartículas que podrían existir en el sistema.

Por supuesto, hace falta mucho más trabajo e investigación antes de poder tener qubits de Majorana. Pero ahora se ha dado un gran paso en esa dirección.