Cada partícula fundamental en el universo tiene una antipartícula, que tiene la misma masa, pero la carga opuesta. Si una partícula llegara a encontrarse con su antipartícula, los dos se aniquilarían en una explosión de energía. Pero se dice que hay una excepción a la regla, con ciertas partículas que son en realidad sus propias antipartículas. Ahora, los científicos de Stanford y la Universidad de California han encontrado la primera evidencia fuerte de este tipo de partículas, que denominan «partícula ángel».
La teoría se remonta a 1937, cuando el físico Ettore Majorana destacó una fisura en la familia de las partículas fermión. Los protones, los electrones, los neutrones, los neutrinos y los quarks son todos fermiones, y todos tienen antipartículas correspondientes, pero según los cálculos de Majorana, deberían existir partículas que sean sus propias antipartículas.
Puesto que no tienen carga, los neutrones y los neutrinos eran los mejores candidatos para ser estos fermiones de Majorana, pero los antineutrones se han descubierto desde entonces. Todavía hay un gran signo de interrogación sobre los neutrinos, sin embargo, y los experimentos están en curso para determinar si son de hecho su propia antipartícula. Sin embargo, la dificultad de los experimentos significa que la respuesta está todavía lejos de ser confirmada
Mientras tanto, la forma más probable de encontrar los fermiones de Majorana es buscando «cuasiparticulas». Como su nombre indica, no son partículas absolutamente naturales, sino que surgen del comportamiento colectivo de los electrones y tienen ciertas propiedades de las partículas. Si esto es difícil de visualizar, la Encyclopaedia Britannica explica el concepto como las burbujas de una bebida: las burbujas también surgen del «comportamiento colectivo» de los productos químicos en la bebida, y aunque no son objetos realmente independientes, las burbujas tienen propiedades medibles como objetos, incluyendo tamaño, forma, etc.
De la misma manera, las cuasipartículas pueden no ocurrir fuera de condiciones muy específicas, pero pueden ser consideradas como fermiones de Majorana si exhiben todas las propiedades correctas. Ahora Stanford y los investigadores de la UC dicen que han encontrado una «prueba del delito» cosa que señala la presencia de estos fermiones hipotéticos.
«Nuestro equipo predijo exactamente dónde encontrar el fermión de Majorana y qué buscar como su firma experimental», dijo Shoucheng Zhang, uno de los principales autores del documento de investigación. «Este descubrimiento concluye una de las búsquedas más intensivas en la física fundamental, que ha durado exactamente 80 años«.
Para hacer que estas quasiparticulas peculiares se muestren, el equipo cuidadosamente construyó su «bebida» muy específica, compuesta de películas delgadas de dos materiales cuánticos apilados uno encima del otro. El resultado final es un aislante topológico superconductor, que permite a los electrones moverse rápidamente a lo largo de los bordes de la superficie del material, pero no a través del centro. La adición de una pizca de material magnético a la mezcla hizo que los electrones fluyeran en una dirección a lo largo de un borde y la dirección opuesta a la otra.
Los investigadores entonces pasaron un imán sobre el material, lo que causó que todos los electrones se ralentizaran, detuvieran y cambiaran de dirección. La inversión ocurrió en un movimiento seco y escalonado que el equipo compara a los escalones de una escalera. Las cuasiparticulas comenzaron a emerger del material en pares, viajando por el mismo camino que los electrones, pero hubo una diferencia clave: cuando se detuvieron y se dieron vuelta, lo hicieron en «pasos» exactamente la mitad que los electrones. Esto se debe a que cada uno es esencialmente solo la mitad de una partícula, ya que uno de cada par de cuasipartículas se pierde en el camino. Y ese fenómeno era exactamente la evidencia que el equipo había estado buscando.
Zhang propone que el descubrimiento del equipo sea llamado «partícula de ángel» después de la novela de Dan Brown Ángeles y Demonios, que cuenta con una bomba impulsada por la unión de materia y antimateria. A largo plazo, Majoranas podría encontrar una aplicación práctica en la fabricación de computadoras cuánticas más seguras.
La investigación fue publicada en la revista Science.
