Osservate le particelle di Majorana in un superconduttore

I fisici dell’Università di Princeton hanno osservato una particella esotica che si comporta contemporaneamente come materia e antimateria, una impresa che è stata resa possibile grazie alle nostre conoscenze di matematica e di ingegneria e che in futuro potrebbe portare alla costruzione di potenti computer basati sui principi della meccanica quantistica.

L’immagine illustra la “catena” formata da atomi di ferro allineati. Utilizzando un microscopio speciale, è stato creato un campo magnetico al fine di monitorare un segnale che indicasse la presenza della particella di Majorana. Questo segnale è apparso alle estremità della “catena atomica”, come si vede dalla figura. Credit: Ilya Dorzdov, Ali Yazdani Lab

Dopo decenni di studi e di calcoli che risalgono agli anni ’30, gli scienziati hanno catturato la “immagine” di una particella, nota come fermione di Majorana, presente all’estremità di una “catena atomica” proprio dove indicavano le previsioni teoriche. “Si tratta del metodo più diretto per cercare il fermione di Majorana“, spiega Ali Yazdani, un professore di fisica che ha guidato il gruppo di ricercatori. “Se si vuole trovare questa particella all’interno di un materiale, occorre utilizzare un particolare microscopio che permette di vedere dove si trova realmente“. La caccia alle particelle di Majorana ebbe inizio quando i fisici si resero conto che le equazioni della meccanica quantistica prevedevano l’esistenza di antiparticelle. Nel 1937, Ettore Majorana ebbe l’intuizione che una particella, stabile, potesse apparire contemporaneamente sottoforma di materia e di antimateria. Nonostante altre forme di antiparticelle siano state osservate a partire da quell’epoca, quelle di Majorana sono rimaste sempre elusive. Questi risultati, oltre ad essere importanti nell’ambito della fisica fondamentale, offrono agli scienziati spunti significativi per la realizzazione di sistemi di calcolo basati sui principi della meccanica quantistica. In breve, quando si parla di “calcolo quantistico”, gli elettroni vengono considerati non solo come gli “1” e “0” dei computer convenzionali ma rappresentano anche degli stati quantici un pò più strani che sono contemporaneamente sia “1” che “0”: questa proprietà viene chiamata principio di sovrapposizione che offre la possibilità di risolvere problemi più complessi. Grazie al fatto che le particelle di Majorana sono sorprendentemente stabili, le proprietà dovute ad una situazione conflittuale (annichilazione materia-antimateria) rendono le particelle neutre così da interagire molto debolmente con l’ambiente in cui si trovano. Questa sorta di naturale “indifferenza” ha portato gli scienziati a cercare altre vie per utilizzare le particelle di Majorana nei materiali al fine di ottenere un modo molto più stabile per codificare l’informazione quantistica e gettare le basi per i futuri computer quantistici.

Oltre al potenziale utilizzo pratico, la ricerca delle particelle di Majorana ha una serie di implicazioni in altre aree della fisica. Ad esempio, gli scienziati ritengono che un’altra particella elusiva, chiamata neutrino, che interagisce debolmente con la materia ed è difficile da rivelare, possa essere in definitiva un tipo di fermione di Majorana, cioè un neutrino e un anti-neutrino allo stesso tempo. Infine, c’è chi ritiene che le particelle di Majorana possano essere considerate tra le particelle candidate di materia scura, quella misteriosa componente che rappresenta oltre l’80 per cento della materia presente nell’Universo e che, finora, non è mai stata rivelata direttamente dato che non interagisce con le altre particelle note.

Princeton University: Capping decades of searching, Princeton scientists observe elusive particle that is its own antiparticle

Science: Observation of Majorana fermions in ferromagnetic atomic chains on a superconductor

arXiv: Majorana fermions in chains of magnetic atoms on a superconductor