Quasi-particelle di Majorana

L'articolo che state per leggere è un miscuglio tra fisica quantistica e moderne tecnologie che potrebbe scoraggiare anche i più coraggiosi lettori, ma sono sicuro che tra i frequentatori di unico-lab, più di qualcuno lo troverà interessante, perché come dice sempre un mio collega: le cose facili le hanno già scoperte tutte, a noi restano quelle difficili che però sono anche le più interessanti! Se siete pronti, partiamo dalle basi teoriche che hanno un'origine italiana. Dobbiamo tornare agli albori della meccanica quantistica e al fisico teorico Ettore Majorana, famoso al grande pubblico più per la sua misteriosa sparizione ancora giovanissimo, che per il suo prezioso lavoro sulle masse dei neutrini.

Majorana e le particelle antiparticelle

Le particelle di Majorana, fin ad oggi l'argomento di una teoria ancora non verificata sperimentalmente, hanno la caratteristica unica di essere identiche alle loro antiparticelle. Fermiamoci un momento per capire meglio questo punto. Prendiamo un foglio di carta quadrato e pieghiamolo a metà verticalmente. Riaprendo il foglio vedremo che la piega suddivide il foglio iniziale in due metà assolutamente identiche e possiamo immaginare che una delle due sia abitata esclusivamente da particelle di materia, mentre l'altra dai protagonisti dell'antimateria, ovvero le antiparticelle. Prendiamo una goccia di vernice e depositiamola nella metà occupata dalla materia; pieghiamo e riapriamo il foglio: sulla metà occupata dall'antimateria troveremo l'impronta speculare della goccia. Questo per dire che per ogni particella che popola la metà di materia, esiste una controparte nella metà opposta. Esiste però un caso particolare, perché se mettiamo una goccia di vernice proprio sulla piega, chiudere e aprire il foglio la lascerà invariata e avremo trovato una particella che è a tutti gli effetti identica alla sua antiparticella. Queste sono appunto chiamate particelle di Majorana.


Seppure la meccanica quantistica permette a queste particelle di esistere, fino ad oggi non ne è mai stata verificata sperimentalmente l'esistenza. Sicuramente non è mai stata trovata una particella elementare che è identica alla sua antiparticella, il candidato più papabile è guarda caso proprio il neutrino. Si è però recentemente aperto qualche spiraglio di scoperta nell'ambito delle quasi-particelle.

Le quasi-particelle

Non ci serve molta immaginazione per immaginare una particella elementare come una pallina, ma dobbiamo fare uno sforzo più grande per immaginare una quasi particella. Forse il paragone più semplice è quello di un liquido, sappiamo infatti che questo è costituito da tante singole particelle (nel caso specifico molecole), ma le proprietà del liquido dipendono principalmente dalla fitta rete di interazioni tra le varie molecole, tanto da sembrare un tutt'uno.

Una quasi-particella è uno stato collettivo, in cui tante particelle mettono da parte la loro singolarità per essere una cosa sola descrivibile da un funzione d'onda. In questo modo il comportamento dell'insieme è descrivibile dalla meccanica quantistica senza dover ricorrere alla descrizione di ognuna delle particelle che lo compone.

Semiconduttori, superconduttori e nanotecnologie

Dobbiamo fare un altro salto, questa volta più tecnologico che teorico e dedicare un po' di righe alla fisica dello stato solido, dove i protagonisti fondamentali hanno entrambi S/C  come iniziali e sono i semi e i super conduttori. I primi sono alla base della tecnologia elettronica della nostra vita quotidiana, dai microchip dei computer a quelli dei cellulari, dalle fotocamere digitali alle trasmissioni in fibre ottiche.

Sono i superconduttori a permettere ai treni a levitazione magnetica di sfrecciare velocissimi, ai macchinari per la risonanza magnetica di eseguire l'esame sempre in meno tempo (aumentando il campo magnetico). Grazie alla loro resistività nulla, permettono ad enormi quantità di corrente elettrica di scorrere da un capo all'altro del mondo senza dissipare nemmeno un watt di calore.

Certamente più di moda, sono le nanotecnologie in particolare le nanostrutture di carbonio con cui è possibile costruire dei tubi e dei fili lunghi anche decine di micrometri, larghi qualche miliardesimo di metro e spessi un solo atomo di carbonio.

Credit: V. Mourik et al.

Mettendo insieme questi tre elementi è possibile costruire uno specialissimo transistore, come hanno fatto un gruppo di ricercatori olandesi in cui un elettrodo conduttore (N) e uno superconduttore (S) vengono collegati da un nano-filo e la corrente che vi passa all'interno viene controllata dalla presenza o meno di un campo magnetico (indicato dalla lettera B nell'immagine).

La teoria ci dice che gli elettroni che compongono la corrente che percorre il nano filo si comporta come una quasi-particella di Majorana (in questo caso, l'antiparticella è la lacuna, ovvero la mancanza di un elettrone nella banda di valenza del semiconduttore). I ricercatori hanno effettivamente verificato che mettendo insieme questi elementi si ottiene il passaggio di corrente e questa sparisce non appena viene a mancare una delle condizioni che la teoria prevede per la formazione delle quasi-particelle di Majorana.

Questa non è ancora la prova che le quasi-particelle di Majorana esistano anche perché la corrente che hanno misurato è solo una frazione di quella che prevede la teoria, ma è certamente una bella scoperta. La buona notizia è che la fisica teorica e la più moderna tecnologia possono ancora avere molto in comune e i futuri super-computer quantistici, per il momento quasi fantascienza, un giorno potrebbero essere realtà.