Descubren nuevas fases topológicas de la materia

Investigadores de la Universidad Complutense de Madrid, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y de la Universidad de Harvard, han descubierto un mecanismo que estabiliza la conducción de partículas de Majorana en los bordes de un superconductor topológico, mediante interacciones magnéticas de largo alcance que las hacen más propicias.

Además, han demostrado que es posible a su vez encontrar nuevas fases topológicas de la materia mediante la fusión de estos Majoranas. Toda una proeza que apunta a futuras aplicaciones en tecnologías cuánticas.

En un artículo publicado en Physical Review Letters, estos investigadores explican que, profundizando en la naturaleza de estas interacciones de largo alcance, han conseguido una mejora de la conducción de partículas de Majorana en los bordes de un superconductor topológico, convirtiéndolas en cuasipartículas más estables debido a estas interacciones.

Las fases topológicas de la materia son un campo de investigación muy activo que está revolucionando nuestra comprensión de la naturaleza. Esta área de estudio ha dado lugar a nuevos materiales como los aislantes topológicos, los superconductores topológicos y los semimetales topológicos.

Los superconductores topológicos son unos materiales que, además de poder conducir la electricidad sin perder energía en forma de calor, albergan unas partículas conocidas como fermiones de Majorana.  Aunque no se conoce a ciencia cierta si estas partículas existen en la física de altas energías, los fermiones de Majorana pueden aparecer como excitaciones de baja energía (cuasipartículas) en ciertos materiales.

Estas partículas son muy exóticas en la materia condensada. Se comportan como su propia antipartícula y se han propuesto como unidades elementales de los futuros ordenadores cuánticos topológicos. Un ordenador cuántico usa ciertas propiedades de la física cuántica para resolver tareas y procesos que resultan inabordables para los ordenadores convencionales.

Sin embargo, estas propiedades son muy sensibles a la interacción con el ambiente (decoherencia), por lo que la construcción de ordenadores cuánticos resulta un desafío que se está abordando actualmente. Los fermiones Majorana que aparecen en los superconductores topológicos presentan una robustez mucho mayor que otro tipo de partículas, lo que permitiría usarlos para construir dichos ordenadores.

La existencia de estos fermiones de Majorana ha sido comprobada en investigaciones previas: cadenas de impurezas magnéticas colocadas sobre un sustrato superconductor han demostrado que las interacciones magnéticas de largo alcance entre los electrones aparecen de manera natural en estos sistemas con fermiones de Majorana.

Según los autores de esta investigación, esta interacción es similar a la que presentan dos imanes que se atraen o se repelen, pero en lugar de imanes serían los momentos magnéticos de los electrones los que interactúan.
Sin embargo, permanecía desconocido qué efecto podrían tener estas interacciones magnéticas sobre las propiedades de estos materiales superconductores, una incógnita que ha despejado esta investigación.

Fusión de Majoranas

Los investigadores han encontrado casos en los que los efectos de largo alcance de esas interacciones magnéticas eran muy fuertes, lo que llevó a la fusión de dos fermiones distantes de Majorana en una cuasipartícula topológica no local.

Este efecto tan sorprendente podría ser utilizado para almacenar información cuántica en un sistema no degenerado (es decir sistemas de dos niveles con distinta energía) pero con protección frente al ruido externo del sistema, que puede provocar la decoherencia cuántica o pérdida de los efectos cuánticos.

Los hallazgos encontrados en este trabajo representan un gran avance hacia la comprensión del papel de las interacciones magnéticas de largo alcance en el ámbito de los superconductores topológicos.

Además, estos resultados desencadenarán la generación de nuevas fases topológicas de la materia, ampliando sus aplicaciones actuales en espintrónica, computación y memorias cuánticas y otros campos relacionados.

Referencia

Chiral Topological Superconductors Enhanced by Long-Range Interactions, O. Viyuela, L. Fu, M. A. Martin-Delgado, Phys. Rev. Lett. 120, 017001 (2018)