Divulgación ¿¿Detectado el primer fermión de Majorana??

[Alriga]

Un fermión de Majorana es un fermión que es su propia antipartícula. Hasta ahora no se conocen fermiones elementales que sean su propia antipartícula, pero hoy he visto que en equipo de la Univesidad de Stanford presenta evidencia de una primera detección de un fermión de ese tipo: An experiment proposed by Stanford theorists finds evidence for the Majorana fermion, a particle that’s its own antiparticle

También: Experiment finds evidence for the Majorana fermion, a particle that's its own antiparticle

Y en español: Científicos de Stanford y California ponen fin a 80 años de búsqueda de una partícula elemental

El documento científico completo: Chiral Majorana edge state in a quantum anomalous Hall insulator-superconductor structure

Saludos.

[Jaime Rudas]

Re: ¿¿Detectado el primer fermión de Majorana??

Un fermión de Majorana es un fermión que es su propia antipartícula. Hasta ahora no se conocen fermiones elementales que sean su propia antipartícula, pero hoy he visto que en equipo de la Univesidad de Stanford presenta evidencia de una primera detección de un fermión de ese tipo: An experiment proposed by Stanford theorists finds evidence for the Majorana fermion, a particle that’s its own antiparticle

También: Experiment finds evidence for the Majorana fermion, a particle that's its own antiparticle

Y en español: Científicos de Stanford y California ponen fin a 80 años de búsqueda de una partícula elemental

En los tres fuentes se dice los siguiente:

(...) la clase de partículas conocidas como fermiones, que incluye el protón, el neutrón, el electrón, el neutrino y el quark (...)

¿Los protones y neutrones se consideran fermiones?

Por otra parte, la última fuente dice:

En una computadora clásica, la unidad de información se llama "bit" (y puede tener un valor de 1 o de 0), mientras que en una computadora cuántica, la unidad de información, denominada "qubit" puede tener cuatro valores (00, 01, 11 y 10).

¿Es, realmente, un cúbit equivalente a dos bits? No conozco el tema, pero me late que no.

[Alriga]

Re: ¿¿Detectado el primer fermión de Majorana??

... ¿Los protones y neutrones se consideran fermiones? ...

En mi opinión sí, puesto que son partículas con spin semientero que es la definición de fermion. Sin embargo no son fermiones elementales, puesto que ambos están compuestos por 3 quarks:

protón = 2 up + 1 down
neutrón = 1 up + 2 down

Up y Down sí son fermiones elementales.

... Por otra parte, la última fuente dice:

En una computadora clásica, la unidad de información se llama "bit" (y puede tener un valor de 1 o de 0), mientras que en una computadora cuántica, la unidad de información, denominada "qubit" puede tener cuatro valores (00, 01, 11 y 10).

¿Es, realmente, un cúbit equivalente a dos bits? No conozco el tema, pero me late que no ...

Yo también creo que no, supongo que infoLibre expresa mal lo que dice la Wikipedia:

Una segunda diferencia es el paralelismo cuántico, que es la posibilidad de representar simultáneamente los valores 0 y 1. Los algoritmos cuánticos que operan sobre estados de superposición realizan simultáneamente las operaciones sobre todas las combinaciones de las entradas. Por ejemplo, los dos ''qubits''

$\frac{1}{2}(|0\rangle+|1\rangle)(|0\rangle+|1\rangle)=\frac{1}{2}(|0\rangle|0\rangle+ |0\rangle|1\rangle+|1\rangle|0\rangle+|1\rangle|1\rangle)$

representan simultáneamente las combinaciones 00, 01, 10 y 11. En este "paralelismo cuántico" se cifra la potencia del cómputo cuántico.

Saludos.

[pod]

Re: ¿¿Detectado el primer fermión de Majorana??

¿Los protones y neutrones se consideran fermiones?

Una partícula es un fermión si cumple la estadística de Fermi-Dirac, que se basa en el principio de exclusión de Pauli. Los protones y neutrones cumplen con esa estadística, si no lo hicieran los núcleos atómicos serian muy diferentes de lo que son. Así que el hecho de que son fermiones está bastante bien fundamentado experimentalmente. Que sean partículas compuestas es irrelevante en este aspecto, sólo importa que sigan la estadística de Fermi-Dirac.

Para relacionarlo con la respuesta (correcta) de Alriga: Según el teorema spin-estadística, todas las partículas con spin entero cumplen la estadística de Bose-Einstein, mientras que todas las partículas de spin semi-impar cumplen la estadística de Fermi-Dirac. Protones y neutrones son estados ligados de quarks cuyo spin es 1/2, y por lo tanto, según este teorema, serán fermiones. En general, toda partícula con spin semi-entero, sea fundamental o un estado ligado, será un fermión siempre que se cumplan las premisas del teorema.

Por ejemplo, una de las premisas es que el universo tiene más de dos dimensiones. En dos dimensiones, el teorema no funciona y en principio una partícula no tiene porqué seguir ninguna de las dos estadísticas mencionadas. Estas partículas se conocen con el nombre de aniones, y se han descubierto experimentalmente.

Ahora bien, los protones y los neutrones no viven restringidos a dos dimensiones, así que cumplen el teorema perfectamente.

¿Es, realmente, un cúbit equivalente a dos bits? No conozco el tema, pero me late que no.

No, esto es un error enorme en el texto que has leído. Un q-bit no es más que un bit, un sistema con dos estados propios, que podemos llamar 1 y 0. La "q" lo que hace es dotar al bit de las características que conocemos de la cuántica. En particular, el principio de superposición. Por eso, un q-bit en realidad puede estar en un estado que sea combinación lineal de 1 y 0.

El error que hay en el texto precisamente venga de mal interpretar el mismo fragmento que ha citado Alriga en la wikipedia. Este fragmento no habla de un q-bit, sino de dos. Si un q-bit puede estar en un estado que es superposición de 0 y 1, dos q-bits pueden estar en un estado superposición de los cuatro estados base, 00, 01, 10 y 11. Obviamente, el estado que se muestra en la wikipedia a modo de ejemplo es un estado muy concreto, hay infinitos estados posibles, correspondiente a todas las combinaciones legales posibles. Por ejemplo, seria totalmente posible un estado de 2 q-bits donde no aparezcan los cuatro estados base; o donde aparezcan con pesos diferentes.

[Alriga]

Re: ¿¿Detectado el primer fermión de Majorana??

Este hilo no me deja buen sabor de boca. Pese a los rimbombantes titulares, creo entender que lo que han encontrado no son partículas “de verdad” como un electrón o un neutrino,… sino algo que llaman “quasipartículas” que según dice el enlace Phys-Org son:

“excitaciones semejantes a partículas que surgen del comportamiento colectivo de electrones en materiales superconductores. El proceso que da origen a estas cuasiparticulas es similar a la forma en que la energía se convierte en partículas "virtuales" de corta vida y vuelve a energía de vacío del espacio, según la famosa ecuación de Einstein E = mc² . Si bien las cuasiparticulas no son como las partículas que se encuentran en la naturaleza, sin embargo serían consideradas verdaderos fermiones de Majorana”

Creo entender pues, que lo que han creado son unas quasipartículas artificiales que poco tienen que ver con las partículas fundamentales. Estas quasipartículas pueden tener aplicaciones tecnológicas, pero creo que poco van a ayudar a la Física de partículas elementales del modelo éstandar, quiero decir que no van a poner estas partículas en cuadros fundamentales de este tipo:




Y dudo que el estudio de estas quasipartículas ayude en la comprensión de enigmas profundos de la actual física de partículas, como la materia oscura, la supersimetría,... Una muy buena explicación en español de estos temas la he encontrado aquí: PARTÍCULAS DE MAJORANA EN MATERIA CONDENSADA

Saludos.

[pod]

Re: ¿¿Detectado el primer fermión de Majorana??

Este hilo no me deja buen sabor de boca. Pese a los rimbombantes titulares, creo entender que lo que han encontrado no son partículas “de verdad” como un electrón o un neutrino,… sino algo que llaman “quasipartículas” que según dice el enlace Phys-Org son:

“excitaciones semejantes a partículas que surgen del comportamiento colectivo de electrones en materiales superconductores. El proceso que da origen a estas cuasiparticulas es similar a la forma en que la energía se convierte en partículas "virtuales" de corta vida y vuelve energía de vacío del espacio, según la famosa ecuación de Einstein E = mc² . Si bien las cuasiparticulas no son como las partículas que se encuentran en la naturaleza, sin embargo serían consideradas verdaderos fermiones de Majorana”.

Las quasipartículas no son algo nuevo. Todos conocemos los fonones, o los "agujeros" en semiconductores (portadores de carga en materiales tipo p). Son reales tanto en cuanto explican los experimentos con precisión, que es lo que importa (una muestra de ello son los ordenadores que utilizamos para acceder a esta página).

En este sentido, tal vez sea importante recordar que las partículas usuales son excitaciones de un campo cuántico (Carroza, si anda por este hilo, lo explica bastante mejor). Las quasi-partículas son excitaciones colectivas de una gran cantidad de partículas que se comportan al unísono. Si describimos el comportamiento de esas partículas mediante un campo, en realidad volvemos a lo mismo: las quasi-partículas son excitaciones de ese campo, y por lo tanto podemos usar el mismo aparato físico-matemático para describirlas.

Aunque puedo entender tu "mal sabor de boca" por no tratarse de una partícula elemental , o por lo menos un estado ligado de ellas (obviamente el descubrimiento seria mucho más importante de ser así), no deja de ser una aplicación experimental de una teoría que se formuló hace años. Y eso tiene su importancia. Por ejemplo, a la teoría de cuerdas, si no recuerdo mal, le salen fermiones de Majorana; el hecho de que sepamos que existen realizaciones físicas de los mismos en la naturaleza, aunque sea en forma de quasi-partículas, no es una mala noticia.

[Alriga]

Re: ¿¿Detectado el primer fermión de Majorana??

Muy agradecido por la explicación.

pod, tu capacidad para explicar Ciencia y que se entienda perfectamente es muy, muy poco común, te lo aseguro. Y eso te lo está diciendo un auténtico yonki del tema.
Por favor prodígate tanto como puedas y siempre que puedas

Saludos.

[CharlesMcAndrew]

Re: ¿¿Detectado el primer fermión de Majorana??

Corroboro que el hecho de que sean análogos en materia condensada/estado sólido le quita mucha gracia al asunto. Hay ese tipo de análogos para muchas otras construcciones fundamentales, cómo por ejemplo la radiacción Hawking en agujeros negros, monopolos magnéticos y alguna más que ahora no recuerdo y, sin quitarle valor, no se puede decir que tengan repercusion entre la comunidad de físicos teóricos para dar o quitar validez a las teorías correspondientes.

[Alriga]

Cuasipartículas de Majorana en computación cuántica

En un nuevo estudio publicado ayer, un equipo de Princeton informa sobre una forma de controlar cuasipartículas de Majorana en un entorno que también las hace más robustas. La configuración, que combina un superconductor y un material exótico aislante topológico, hace que Majoranas sean especialmente resistentes a la destrucción por calor o vibraciones del ambiente exterior. Además, el equipo demostró una forma de conmutar on/off la Majorana utilizando pequeños imanes integrados en el dispositivo. Según Ali Yazdani et. al. este nuevo estudio indica una nueva forma de diseñar las quasipartículas de Majorana en materiales.

Cuando la materia y la antimateria se unen, se aniquilan mutuamente en una violenta liberación de energía, pero las Majoranas cuando aparecen como pares en cada extremo de cables especialmente diseñados, pueden ser relativamente estables e interactuar débilmente con su entorno. Los pares permiten el almacenamiento de información cuántica en dos ubicaciones distintas, lo que los hace relativamente robustos contra las perturbaciones porque cambiar el estado cuántico requiere operaciones en ambos extremos del cable al mismo tiempo.

Esta capacidad ha cautivado a los tecnólogos que imaginan una forma de hacer bits cuánticos, las unidades de computación cuántica, más robustos que en los enfoques actuales. Una computadora cuántica basada en Majoranas almacenaría información en pares de partículas y realizaría el cálculo entrelazándolos entre sí. Los resultados del cálculo se determinarían mediante la aniquilación de las Majoranas entre sí, lo que puede resultar en la aparición de un electrón (detectado por su carga) o en nada, según cómo se trenzó el par de Majoranas. El resultado probabilístico de la aniquilación del par de Majorana subyace a su uso para el cálculo cuántico.

El reto es cómo crear y controlar fácilmente Majoranas. Uno de los lugares donde pueden existir es en los extremos de una cadena de átomos magnéticos de un solo átomo de espesor en un lecho superconductor. En 2014 Yazdani y sus colaboradores utilizaron un microscopio de exploración de efecto túnel (STM), (en el que se arrastra una punta sobre los átomos para revelar la presencia de cuasipartículas), para encontrar Majoranas en ambos extremos de una cadena de átomos de hierro que descansan en la superficie de un superconductor.

El equipo pasó a detectar el spin cuántico de Majorana. En un informe publicado en Science en 2017, el equipo declaró que la propiedad de spin de Majorana es una señal única con la que determinar que una quasipartícula detectada es de hecho una Majorana.

En este último estudio, el equipo exploró otro lugar predicho para encontrar Majoranas: en el canal que se forma en el borde de un aislante topológico cuando se coloca en contacto con un superconductor. Los superconductores son materiales en los que los electrones pueden viajar sin resistencia, y los aisladores topológicos son materiales en los que los electrones fluyen solo a lo largo de los 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 aislador topológico, que es tan delgado que puede considerarse como un cable. Como las Majoranas se forman al final de los cables, debería ser posible hacer que aparezcan cortando el cable.

"Era una predicción, y estaba allí esperando todos estos años", dijo Yazdani. "Decidimos explorar cómo se podría hacer esta estructura debido a su potencial para hacer que Majoranas sean más resistenten a las imperfecciones y la temperatura del material".

El equipo construyó la estructura mediante la evaporación de una lámina delgada de aislante topológico de bismuto sobre un bloque de superconductor de niobio. Colocaron bits de memoria magnética de tamaño nanométrico en la estructura para proporcionar un campo magnético, que desvía el flujo de electrones, produciendo el mismo efecto que cortando el cable. Usaron STM para visualizar la estructura.

Sin embargo, cuando utilizaron su microscopio para buscar la Majorana, los investigadores se quedaron perplejos al principio por lo que vieron. Algunas veces vieron aparecer a la Majorana, y otras veces no pudieron encontrarla. Después de una exploración adicional, se dieron cuenta de que la Majorana solo aparece cuando los imanes pequeños se magnetizan en la dirección paralela a la dirección del flujo de electrones a lo largo del canal.

"Cuando comenzamos a caracterizar los imanes pequeños, nos dimos cuenta de que son el parámetro de control", dijo Yazdani. “La forma en que se orienta la magnetización del bit determina si la Majorana aparece o no. Es un interruptor de encendido y apagado"

El equipo informa que la quasipartícula de Majorana que se forma en este sistema es bastante robusta porque ocurre en energías que son distintas de las otras quasipartículas que pueden existir en el sistema. La robustez también se deriva de su formación en un modo de borde topológico, que es inherentemente resistente a las interrupciones. Los materiales topológicos derivan su nombre de la rama de las matemáticas que describe cómo los objetos pueden deformarse al estirarse o doblarse. Los electrones que fluyen en un material topológico continuarán moviéndose alrededor de cualquier abolladura o imperfección.

El estudio se publicó ayer en Science y es de pago: Observation of a Majorana zero mode in a topologically protected edge channel

La fuente de información que he utilizado es de la Universidad de Princeton "La misteriosa quasipartícula de Majorana está ahora más cerca de ser controlada para la computación cuántica": Mysterious Majorana quasiparticle is now closer to being controlled for quantum computing

Saludos.

[carroza]

Re: ¿¿Detectado el primer fermión de Majorana??

L
En este sentido, tal vez sea importante recordar que las partículas usuales son excitaciones de un campo cuántico (Carroza, si anda por este hilo, lo explica bastante mejor). Las quasi-partículas son excitaciones colectivas de una gran cantidad de partículas que se comportan al unísono. Si describimos el comportamiento de esas partículas mediante un campo, en realidad volvemos a lo mismo: las quasi-partículas son excitaciones de ese campo, y por lo tanto podemos usar el mismo aparato físico-matemático para describirlas.

Hola. Por alusiones.

Yo comparto la incomodidad de Alriga con este tratamiento, en especial con los titulares Experiment finds evidence for the Majorana fermion, a particle that's its own antiparticle Y Científicos de Stanford y California ponen fin a 80 años de búsqueda de una partícula elemental

Ambos titulares son, para mí, deshonestos.

Si se leen los artículos, lo que se describen son medidas en las que las conductividades de ciertos dispositivos toman ciertos valores concretos, que se relacionan con el efecto hall cuantico. Lo que se ven son diferentes modos asociados de movimiento de cargas, que son, por supuesto, muy interesantes, pero que no tienen relación con fermiones, de Dirac o de Majorana.

Es interesante el concepto de cuasipartícula, que aparece en estado sólido, o en física nuclear, cuando en un sistema complejo un fermión se correlaciona con otros grados de libertad, y modifica sus propiedades. Las cuasipartículas que yo conozco son particulas, fuertemente correlacionadas con excitaciones del medio, a las que podemos asignar energía y momento, y que podemos modelar con ecuaciones de partícula libre, con parámetros modificados.

Lo que aparece en estas publicaciones son modos de movimiento de carga, asociados a una cierta conductividad. No veo cómo podemos asociarlas a cuasiparticulas. Entiendo que hay algún aspecto de las ecuaciones que gobiernan la evolución de estos modos, que puedan tener la similitud con las ecuaciones que gobiernan campos fermiónicos. Pero de aqui a decir que se ha descubierto el fermión de majorana, va un abismo.

Un saludo