Fermión de Majorana para niños
Un fermión de Majorana es un tipo especial de partícula que tiene una característica muy curiosa: ¡es su propia antipartícula! Imagina que una partícula y su "gemelo opuesto" (su antipartícula) fueran exactamente lo mismo. Esto fue propuesto por el científico Ettore Majorana en 1937.
La mayoría de las partículas que conocemos, como los electrones, no son así. Por ejemplo, el electrón tiene una antipartícula llamada positrón, que tiene la carga opuesta. A estas partículas que no son su propia antipartícula se les llama fermiones de Dirac.
Aunque no conocemos ningún fermión elemental (las partículas más básicas de la naturaleza) que sea su propia antipartícula, los científicos han encontrado algo parecido en ciertos materiales. En la física de la materia condensada, que estudia cómo se comportan los materiales, se han descubierto "cuasipartículas" que actúan como fermiones de Majorana. Estas cuasipartículas son como "excitaciones" o "movimientos especiales" dentro de un material, no partículas fundamentales por sí mismas.
En el Modelo estándar de la física de partículas, que describe las partículas y fuerzas conocidas, casi todos los fermiones se comportan como fermiones de Dirac. La única excepción es el neutrino, una partícula muy pequeña y difícil de estudiar. Los científicos aún no están seguros si los neutrinos son fermiones de Dirac o si son fermiones de Majorana.
Contenido
¿Qué es un fermión de Majorana?
En 1937, Ettore Majorana sugirió que algunas partículas neutras (sin carga eléctrica) con un tipo de giro llamado espín -1⁄2 podrían ser descritas de una manera especial. Él pensó que estas partículas podrían ser idénticas a sus propias antipartículas. Esto significa que si tuvieras una de estas partículas, no podrías distinguirla de su antipartícula.
La diferencia entre un fermión de Majorana y un fermión de Dirac se puede entender pensando en cómo "aparecen" o "desaparecen" las partículas. Para un fermión de Dirac, hay una "herramienta" para crear la partícula y otra "herramienta" diferente para crear su antipartícula (o aniquilar la partícula). Pero para un fermión de Majorana, la "herramienta" para crear la partícula es la misma que la "herramienta" para aniquilarla (o crear su antipartícula). Son lo mismo.
Fermiones de Majorana y partículas elementales
Como los fermiones de Majorana son su propia antipartícula, deben tener una carga eléctrica de cero. Esto se debe a que una partícula y su antipartícula siempre tienen cargas opuestas. Si fueran la misma, la carga opuesta sería cero.
La mayoría de los fermiones elementales en el Modelo estándar de la física de partículas tienen algún tipo de carga (eléctrica o de otras fuerzas), por lo que no pueden ser fermiones de Majorana. Sin embargo, los científicos aún investigan si los neutrinos, que no tienen carga eléctrica, podrían ser fermiones de Majorana.
Si los neutrinos fueran fermiones de Majorana, esto podría ayudar a explicar por qué tienen una masa tan pequeña. También significaría que podrían ocurrir ciertos procesos muy raros en el universo, como un tipo especial de desintegración nuclear llamada "desintegración beta doble sin neutrinos". Este proceso aún no se ha observado, pero si se encontrara, sería una prueba muy fuerte de que los neutrinos son fermiones de Majorana.
Los fermiones de Majorana interactúan muy poco con los campos electromagnéticos. Esta característica los convierte en posibles candidatos para la materia oscura fría, una sustancia misteriosa que los científicos creen que forma gran parte del universo.
Estados ligados de Majorana en materiales
En algunos materiales especiales, como los superconductores, un fermión de Majorana puede aparecer como una "cuasipartícula". Una cuasipartícula no es una partícula fundamental, sino una especie de "comportamiento colectivo" de muchos electrones dentro del material. En un superconductor, una cuasipartícula puede ser su propia antipartícula.
Estas cuasipartículas de Majorana pueden quedar "atrapadas" en ciertos defectos o bordes de los materiales, formando lo que se llama "estados ligados de Majorana" o "modos de cero energía de Majorana". Estos estados son muy interesantes porque se comportan de una manera especial que los hace útiles para la computación cuántica.
Los estados ligados de Majorana son un ejemplo de "anyones no abelianos". Esto significa que si los mueves o los intercambias de lugar, el estado del sistema cambia de una manera que depende del orden en que los moviste. Esta propiedad es clave para construir computadoras cuánticas que sean más estables y menos propensas a errores.
Experimentos con superconductores
Desde 2008, los científicos han estado buscando activamente evidencia de los estados ligados de Majorana en materiales.
- En 2012, un equipo de la Universidad Técnica de Delft en los Países Bajos informó sobre un experimento con nanocables que mostraba una señal que podría ser consistente con la formación de estados ligados de Majorana.
- Casi al mismo tiempo, un grupo de la Universidad de Purdue y la Universidad de Notre Dame observó otro efecto que también podría indicar la presencia de estos estados.
- Otros grupos han confirmado resultados similares en diferentes tipos de dispositivos.
- En 2014, científicos de la Universidad de Princeton usaron un microscopio especial para buscar evidencia de estados ligados de Majorana en cadenas de átomos de hierro sobre una superficie de plomo superconductor.
- En 2016, investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge y sus colaboradores observaron fermiones de Majorana en un tipo de material llamado "líquido de espín cuántico".
- En 2017, se detectaron fermiones de Majorana quirales (con una dirección de giro específica) en un dispositivo híbrido.
- En 2018, equipos en China reportaron una fuerte evidencia de estados ligados de Majorana en un superconductor basado en hierro. Esta fue la primera vez que se observaron en una gran cantidad de material puro.
Aunque estos experimentos son muy prometedores, los científicos siguen investigando para confirmar definitivamente la existencia y las propiedades de los fermiones de Majorana en estos materiales.
Estados ligados de Majorana en computación cuántica
Los estados ligados de Majorana también pueden usarse en la corrección de errores cuánticos, que es fundamental para construir computadoras cuánticas confiables. Al crear "defectos" especiales en ciertos códigos cuánticos, se pueden generar modos de Majorana que no están emparejados.
La forma en que estos Majoranas se "trenzan" o se mueven entre sí puede usarse para almacenar y procesar información cuántica. Esto permitiría construir computadoras cuánticas que sean más resistentes a los errores, lo que es un gran desafío en este campo.
Galería de imágenes
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Ettore Majorana propuso la idea de los fermiones de Majorana en 1937.
Véase también
En inglés: Majorana fermion Facts for Kids
