Físicos proponen un modelo experimental para detectar el fermión de Majorana

El Journal of Applied Physics publica un artículo en el que se describe un posible experimento cuyo objetivo es detectar la partícula postulada por el físico italiano Ettore Majorana

Por José Tadeu Arantes

Agência FAPESP – En 1938, Ettore Majorana, un físico italiano de 31 años, desapareció sin dejar rastros. Su director, Enrico Fermi, quien ese mismo año ganó el premio Nobel de Física, lo comparó con el inglés Isaac Newton (1643-1727), y lo ubicó varios peldaños arriba de los mayores exponentes de una época fértil en genios científicos.

Las habilidades matemáticas de Majorana eran prodigiosas. Solía esbozar propuestas teóricas sofisticadas en atados de cigarrillos, a los cuales después hacía un bollo y los arrojaba al cesto, tras lo cual calificaba a aquellos escritos como pueriles. En marzo de 1932, algunos meses antes de que lo hiciera el alemán Werner Heisenberg (1901-1976), postuló un modelo del núcleo atómico constituido por protones y neutrones. Pero, pese a la insistencia de Fermi, se rehusó a publicar cualquier artículo al respecto.

Cuando desapareció, se sospechó que había sido secuestrado por el régimen fascista de Benito Mussolini, pues sabía demasiado. Luego se verificó que había planeado meticulosamente su desaparición.

Y surgieron otras hipótesis: huyó pues al saber del potencial destructivo de la energía nuclear, no quería verse obligado a trabajar para los fascistas en la producción de la bomba atómica; huyó pues, impulsado por una intensa aspiración mística, decidió aislarse en un monasterio o transformarse en trashumante. Hay sospechas de que se haya refugiado en Argentina, pasando a ganarse la vida como ingeniero. Pero no existe una prueba conclusiva sobre cualquiera de esas suposiciones.

De los pocos trabajos que publicó, el más famoso fue Teoria simmetrica dell’elettrone y del positrone (Teoría simétrica del electrón y del positrón), que data de 1937. En él planteó la hipótesis de una partícula cuya antipartícula sería ella misma. La existencia del neutrino había sido postulada poco antes por Fermi y Wolfgang Pauli, y Majorana sugirió que el neutrino podría ser esa partícula.

Genéricamente, esa partícula hipotética que es su propia antipartícula recibe el nombre de fermión de Majorana. Ocho décadas después de su postulación, el fermión de Majorana sigue suscitando un gran interés en el seno de la comunidad de los físicos. Las investigaciones actuales referentes al mismo se enfocan no solamente en el neutrino, sino también en las cuasipartículas, constituidas por excitaciones en superconductores.

“En el contexto de la materia condensada [donde la cantidad de constituyentes del sistema (átomos, electrones etc.) es sumamente elevado y se producen interacciones muy intensas entre ellos], los fermiones de Majorana podrían manifestarse no como partículas reales, a ejemplo de los protones o de los electrones, sino como cuasipartículas o partículas aparentes, que describen el estado del superconductor”, declaró el físico Antonio Carlos Ferreira Seridonio, docente del Departamento de Física y Química de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en el campus de Ilha Solteira (São Paulo), a Agência FAPESP.

Ferreira Seridonio es coautor del artículo intituladado “Probing the antisymmetric Fano interference assisted by a Majorana fermion”, que fue el tema recientemente estampado en la portada del Journal of Applied Physics.

En ese artículo se plantea un modelo experimental para la obtención del fermión de Majorana. Dicho modelo fue concebido por un grupo de investigadores y posgraduandos de la Unesp en Ilha Solteira y en la localidad de Rio Claro, y de la Universidad Federal de Uberlândia (UFU, Minas Gerais), encabezados por Ferreira Seridonio, Valdeci Mariano de Souza (Unesp-Rio Claro) y Fabrício Macedo de Souza (UFU).

El primer autor del artículo, Fernando Augusto Dessotti, es doctorando bajo la dirección de Ferreira Seridonio. Y el segundo, Luciano Henrique Siliano Ricco, que actualmente cursa su maestría, cuenta con el apoyo de la FAPESP en una investigación que aborda el tema del estudio publicado.

Un sistema que está considerado como un fuerte postulante a exhibir los fermiones de Majorana como cuasipartículas es el llamado “hilo de Kitaev”, propuesto por el físico ruso Alexei Kitaev (nascido en 1963), actualmente docente del California Institute of Technology (Caltech), en Estados Unidos.

“En 2001, mientras trabajaba en Microsoft, Kitaev se abocó al objetivo de hallar una unidad fundamental para la computación cuántica [el qubit o bit cuántico], que fuese capaz de resistir a las perturbaciones externas del medio y así hiciera posible la construcción de una computadora cuántica. El modelo que presentó consistió en un hilo finito superconductor. Cuando dicho hilo se encuentra en una condición específica denominada fase topológica, sería posible aislar un majorana en cada una de sus puntas. Y ese par de cuasipartículas compondría el bit cuántico”, sostuvo Ferreira Seridonio.

El artículo que publicaron Ferreira Seridonio y su grupo en el Journal of Applied Physics describe una vía experimental para la detección de esas cuasipartículas. “Los componentes del aparato experimental que proponemos ya han sido elaborados experimentalmente. Falta integrarlos. Creemos que es una cuestión de tiempo para que eso suceda. Y nuestro trabajo apunta un camino para llegar a ello”, afirmó.

El aparato se vale de un interferómetro de electrones (empleado en el estudio del comportamiento ondulatorio de los electrones) similar al interferómetro de Bohm-Aharonov [ideado a finales de la década de 1950 por el físico estadounidense naturalizado brasileño David Bohm (1917-1992) y por el físico israelí Yakir Aharonov (1932), en ese entonces bajo su dirección].

“Nuestra idea consistió en acoplar ese interferómetro a un hilo de Kitaev en la fase topológica. El transporte de electrones en el interferómetro quedaría afectado por los majoranas presentes en las puntas del hilo de Kitaev. Mediante la alteración producida en los espectros de las ondas electrónicas, sería posible caracterizar a los majoranas”, explicó Ferreira Seridonio.

“En el futuro emplearemos el interferómetro propuesto para explorar otro tipo de majoranas, aquéllos que generan una corriente de cuasipartículas en los bordes de un superconductor”, añadió el investigador.

El artículo intitulado Probing the antisymmetric Fano interference assisted by a Majorana fermion (doi: 10.1063/1.4898776), de F.A. Dessotti y otros, puede leerse en: http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/116/17/10.1063/1.4898776.