힉스 보손 입자(Higgs boson particle) 물리의 발견을 명확히 입증한 헤드라인 기사를 통해 우주의 성질을 숙고하던 사람들은 상상의 세계를 실제로 확인할 수 있었다. 그러나, 이는 우주의 여러 가지 신비들 중 하나의 퍼즐을 푼 것에 불과하다. 최근 Physical Review Letters에 또 다른 흥미로운 입자에 관한 연구 보고가 있었는데, 그것은 바로 마요라나 입자(Majorana particle)이다.

마요라나는 신비함에 대한 베일을 갖고 있는 이름이다. 이는 물질과 반물질의 경계에 존재할 수 있는 신비로운 입자를 언급하기도 하는데, 이는 입자와 반입자 모두로 고려된다. 물질과 반물질은 오랫동안 과학 및 공상 과학 분야의 관심 주제였는데, 이들이 충돌하면 에너지 형태로 사라지게 된다.

이러한 특성으로 인해 신비로운 마요라나 입자는 다른 의문들을 해결하는데 있어 중요하게 고려되었고, 심지어 우주의 성질을 재정의할 수도 있었다. 몇몇 천체물리학자들은 마요라나 입자가 알려진 우주의 70% 이상을 형성할 것으로 고려되는 "암흑 물질"을 구성한다고 제안하였었다.

알려진 안정성으로 인해 이러한 마요라나 준입자들은 양자 컴퓨터의 구축 블록으로서 적합하다고 생각되고 있다. 현재는 이론에 불과하지만 양자 컴퓨터는 현재의 디지털 디바이스보다 수백 배 강력한 성능을 발휘할 것으로 기대를 모으고 있다. 즉, 유례없는 효율성으로 중요한 계산 문제를 해결할 수 있고 정보를 저장할 수 있는 막대한 성능을 잠재하고 있다.

입자의 이름은 이탈리아 물리학자 에토르 마요라나에서 유래되었으며, 그 또한 신비 그 자체였다. 1937년 그는 이러한 입자가 존재할 것이라고 이론적으로 가정하였다. 이후 1938년에 그는 은행에 있는 모든 돈을 인출한 후 다신 얼굴을 볼 수 없었다.

입자와 준입자가 고전 물리의 법칙이 적용되지 않는 원자 이하의 수준인 양자 역학의 영역에서 동작하기 때문에 마요라나 입자에 대한 연구는 보다 복잡하다. 양자 역학은 원자 및 원자 이하 수준에서 물질과 에너지의 거동을 설명하는 혁신적인 원리의 주체이며, 일상 생활에서 관찰할 수 있는 것들과 본질적으로 다르다.

연구진의 도전과제는 볼 수 있고 확인할 수 있는 항성 및 은하와 같은 것이 아니라 마이크로 영역에서 진행되어야 한다는 점이다. 이와 같은 장애에도 불구하고 연구진은 마요라나 입자 연구에 매진하였다. 그들은 기하 초전도체(topological superconductors)로 알려진 특이한 재료를 형성하는 마요라나 준입자를 지지하는 이론 모델을 제안하였다.

연구진은 기하 초전도체를 "이중 인격"을 갖고 있는 것처럼 설명하였다. 이들의 외부 표면은 금속처럼 전기를 통하지만, 내부는 초전도체로 거동한다. 따라서, 그들은 마요라나 입자는 표면 혹은 내부-외부 계면에서만 발생한다고 가정하였다. 기존의 제안과 달리 연구진의 제안은 벌크 재료에 존재하는 소위 s-파동(s-wave) 초전도성만을 필요로 한다. 강한 자기장이 필요없어 시간 역전(time reversal)이라는 근본적으로 중요한 대칭성이 보존된다.

마요라나 입자에 대한 연구는 현재 전세계에서 진행되고 있다. 최근 초전도 필름으로 덮인 반도체 나노와이어는 강한 자기장에서 냉각되며, 0 에너지에서 전도 피크가 관찰된다. 추가적인 실험 결과를 취합함으로써 연구진은 s-파동 기하 초전도체가 마요라나 물리와 기하 양자 물질의 근본적 성질을 연구할 수 있는 또 다른 영역을 제공할 것으로 기대하고 있다.

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초전도 기하 절연체(청색)와 상호작용하는 두 개의 반대되는 자기장(적색)에 정렬된 마요라나 입자에 대한 모식도.