Dubbi sui risultati di Microsoft

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Il disordine nei nanofili molto sottili può portare a risultati di misura che po
Il disordine nei nanofili molto sottili può portare a risultati di misura che potrebbero essere interpretati erroneamente come indicazioni di particelle di Majorana. (Immagine: Università di Basilea, Dipartimento di Fisica)
Nel marzo del 2022, Microsoft ha pubblicato i risultati di una ricerca sulla realizzazione di uno speciale tipo di particella che potrebbe essere utilizzata per produrre bit quantistici particolarmente robusti. I ricercatori dell’Università di Basilea, tuttavia, stanno ora mettendo in dubbio i risultati di queste cosiddette particelle di Majorana: attraverso calcoli, dimostrano che i risultati possono essere spiegati anche in modo diverso.

Nel 1938, un genio scomparve improvvisamente senza lasciare traccia: dopo aver acquistato un biglietto del traghetto Palermo-Napoli, il giovane fisico italiano Ettore Majorana sparì dalla faccia della terra. Solo pochi mesi prima, aveva postulato un tipo di particella molto strano. Queste particelle dovrebbero essere la loro antiparticella e non avere carica elettrica.

Da alcuni anni i fisici si interessano sempre più alle misteriose particelle che portano il nome del loro inventore scomparso (la cui scomparsa rimane tuttora inspiegabile). Questo perché le particelle potrebbero servire come bit quantistici particolarmente robusti nei computer quantistici.

Il più grande ostacolo alla costruzione di questi computer, che promettono un’incredibile potenza di calcolo, è la decoerenza, ovvero il fatto che i disturbi provenienti dall’ambiente distruggono in brevissimo tempo gli stati quantistici sensibili utilizzati dai computer quantistici. Tuttavia, se le particelle di Majorana potessero essere utilizzate come bit quantistici, questo problema potrebbe essere risolto in un colpo solo, poiché le loro speciali proprietà conferiscono loro un’immunità incorporata alla decoerenza.

Una speranza sommessa

In un articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, i ricercatori dell’Università di Basilea hanno ora smorzato le speranze di poter presto contare sulle particelle di Majorana. Il team guidato da Jelena Klinovaja dimostra che i risultati pubblicati da Microsoft nel marzo 2022, secondo i quali le particelle di Majorana sono state rilevate sperimentalmente nei laboratori dell’azienda informatica, probabilmente non sono del tutto validi.

La strada intrapresa da Microsoft con i suoi esperimenti è certamente quella giusta", afferma Richard David Hess, dottorando e autore principale dello studio, "ma i nostri calcoli suggeriscono che i dati di misurazione possono essere spiegati anche da altri effetti che non hanno direttamente a che fare con le particelle di Majorana".

La ricerca di particelle esotiche è un lavoro investigativo di prim’ordine, in cui gli investigatori devono basarsi su pochi indizi. Per cercare questi indizi hanno utilizzato un nanofilo costituito da un materiale semiconduttore collegato a un superconduttore, mille volte più sottile di un capello umano. In questo sistema, sospettano, gli elettroni e i difetti del semiconduttore potrebbero combinarsi per formare quasiparticelle che si comportano come particelle di Majorana.

Anomalie caratteristiche

Attraverso misure di corrente, gli esperti di Microsoft hanno dimostrato un’anomalia caratteristica di tali stati di Majorana e hanno anche dimostrato che le proprietà superconduttive della coppia superconduttore-nanowire cambiano quando viene applicato un campo magnetico in un modo che indica una cosiddetta fase topologica.

In matematica, la topologia può essere illustrata dal fatto che, ad esempio, una tazza di caffè con un manico (un "buco") può teoricamente essere deformata in una ciambella (anch’essa un "buco", quindi entrambe sono topologicamente uguali), ma non in una sfera (senza "buco"). Negli stati di Majorana, invece, la topologia porta alla tanto ricercata immunità alla decoerenza.

Abbiamo ora modellato matematicamente gli esperimenti di Microsoft e cercato di capire se ci sono altre spiegazioni - in gergo ’banali’ - per i risultati delle misure", spiega Henry Legg, postdoc nel gruppo di ricerca di Klinovaja. In effetti, i ricercatori di Basilea hanno concluso che sia l’anomalia di corrente che le proprietà superconduttive possono essere riprodotte da un leggero disordine dovuto ad atomi estranei nel nanofilo.

I nostri risultati mostrano chiaramente che il disordine gioca un ruolo importante in questi esperimenti", afferma Jelena Klinovaja. Per dimostrare gli stati di Majorana al di là di ogni dubbio e quindi utilizzarli anche nei computer quantistici, saranno necessari nanofili ancora più puri. Non mancano quindi le sfide sperimentali per i prossimi anni.

Pubblicazione originale

Richard Hess, Henry F. Legg, Daniel Loss e Jelena Klinovaja
Banda di Andreev banale che imita la riapertura del Bulk Gap topologico nella conduttanza non locale di lunghi nanofili Rashba
Physical Review Letters (2023), doi: 10.1103/PhysRevLett.130.207001