En el año 2010 unos físicos teóricos propusieron que los fermiones de Majorana podrían observarse en un superconductor topológico. Físicos experimentales confirmaron la predicción en el año 2012 y lo publicaron en Science.
Físicos teóricos proponen ahora que los fermiones de Majorana también se pueden observar en sistemas sin superconductividad topológica (superconductores convencionales o tipo onda-s).
Si los físicos experimentales confirman esta predicción será una gran noticia para la ciencia de nuestro país. Por supuesto, cuando hablamos de fermiones de Majorana en este contexto estamos hablando de estados de Majorana, estados colectivos (cuasipartículas) que se comportan como fermiones de Majorana, que no deben ser confundidos con partículas fundamentales.
El interesante artículo teórico es Pablo San-Jose, Jorge Cayao, Elsa Prada, Ramón Aguado, “Majorana bound states without topological superconductivity,”arXiv:1409.7306 [cond-mat.mes-hall]. Todos cruzamos los dedos para que su predicción teórica sea confirmada mediante experimentos.
La posibilidad teórica de observar fermiones de Majorana en un superconductor topológico (en concreto, una heteroestructura formada por un nanohilo semiconductor sobre un superconductor de tipo onda-p) fue propuesta en 2010 por Roman M. Lutchyn, Jay D. Sau, S. Das Sarma, Majorana Fermions and a Topological Phase Transition in Semiconductor-Superconductor Heterostructures,” Phys. Rev. Lett. 105: 077001, 2010; arXiv:1002.4033 [cond-mat.supr-con], y por Yuval Oreg, Gil Refael, Felix von Oppen, “Helical liquids and Majorana bound states in quantum wires,” Phys. Rev. Lett. 105: 177002, 2010; arXiv:1003.1145 [cond-mat.mes-hall].
Por fortuna para estos físicos teóricos en 2012 su predicción fue confirmada por los experimentos. V. Mourik et al., “Signatures of Majorana fermions in hybrid superconductor-semiconductor nanowire devices,” Science 336: 1003-1007, 25 May 2012; arXiv:1204.2792 [cond-mat.mes-hall] observaron de forma indirecta fermiones de Majorana en nanohilos de InSb sobre un electrodo superconductor de NbTiN. Algunos físicos criticaron el resultado por ser una observación indirecta, un pico en la conductancia eléctrica a voltaje cero (zero-bias peak) que podría tener otro origen.
Pero la fortuna les volvió a sonreír. Se acaba de publicar la primera observación directa en cadenas de átomos hierro (Fe), que actúan como nanohilo, sobre un superficie superconductora de plomo (Pb), por Stevan Nadj-Perge et al., “Observation of Majorana Fermions in Ferromagnetic Atomic Chains on a Superconductor,” Science 346: 602-607, 31 Oct 2014; arXiv:1410.0682 [cond-mat.mes-hall]; más info en este blog.
No quiero entrar en detalles técnicos (que quizás sólo interesan a los expertos que pueden disfrutar de ellos en el artículo técnico). La interacción de cuasipatículas en un sistema cuántico se describe mediante una matriz de dispersión (scattering), que casi siempre es hermítica (tiene autovalores reales y autovectores ortogonales). Pero puede no serlo en un sistema cuántico abierto. Una matriz que no sea hermítica puede tener autovalores complejos que dependan de cierto parámetro físico (en este caso el campo magnético aplicado longitudinalmente en el nanohilo del dispositivo).
Puede existir un valor crítico para este parámetro (punto excepcional o punto de degeneración) en el que se produce una bifurcación y dos autovalores complejos coinciden (coalescencia) dando lugar a autovalores reales o imaginarios puros (estos últimos implican estados de energía cero en el sistema).
En la propuesta de San-Jose et al. cuando el valor del campo magnético aplicado supera cierto valor crítico (B>Bep) se produce la coalescencia de los autovalores de la matriz de scattering a un valor imaginario puro que es negativo. Este autovalor se separa en dos durante la llamada resonancia de Majorana, en la que aparecen estados de Majorana pero que son metaestables (su vida media es finita).
Mientras el campo aplicado sea inferior a cierto valor crítico (BepBc) los estados de Majorana se vuelven estables y por tanto observables.
Sin entrar en más detalles técnicos, se trata de una propuesta teórica muy interesante, plausible y que parece que permitirá observar fermiones de Majorana de experimental en superconductores convencionales
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