Japán és koreai kutatók azt állítják, hogy „perdöntő bizonyítékot” találtak a Majorana fermionoknak nevezett, elméletileg javasolt részecskék létezésére. E régóta keresett részecskék bizonyítéka egy úgynevezett Kitaev-mágnes termodinamikai viselkedésében jelent meg, és a kutatók szerint megfigyeléseik nem magyarázhatók alternatív elméletekkel.

A Majorana fermionokat Ettore Majorana olasz fizikusról nevezték el, aki 1937-ben jósolta meg létezésüket. Ezek a részecskék szokatlanok, mivel saját antirészecskéik, és a 2000-es évek elején az elméleti fizikus Alekszej Kitaev azt jósolták, hogy két páros elektronból álló kvázirészecskék formájában létezhetnek.

Ezeket a kvázirészecskéket nem-abeli anyonoknak nevezik, és egyik fő vonzerejük az, hogy ellenállnak a külső zavaroknak. Konkrétan Kitaev megmutatta, hogy ha kvantumbitként (vagy qubitként) használnák, akkor bizonyos állapotok „topológiailag védettek” lennének, ami azt jelenti, hogy külső zaj nem tudja véletlenszerűen megfordítani őket. Ez azért fontos, mert az ilyen zavarok a praktikus, hibaálló kvantumszámítógép elkészítésének egyik fő akadálya.

Kitaev később azt javasolta, hogy ezeket a Majorana-állapotokat elektronikus hibaállapotokként alakítsák ki, amelyek a szupravezető közelében elhelyezkedő félvezetőből készült kvantumnanovezetékek végein fordulnak elő. Ezért sok későbbi munka a Majorana viselkedésének felkutatására irányult a félvezető-szupravezető heterostruktúrákban.

Más megközelítés

A legfrissebb tanulmányban az általa vezetett kutatók Takasada Shibauchi az A Tokiói Egyetem Haladó Anyagtudományi Tanszéke, Japán, kollégáival együtt a Korea Speciális Tudományos és Technológiai Intézet (KAIST), más megközelítést alkalmazott. Munkájuk középpontjában az α-RuCl nevű anyag áll₃, amely a Majorana fermionok potenciális „gazdája”, mert a Kitaev spin liquids (KSL) néven ismert anyagok osztályába tartozhat.

Ezek az anyagok maguk a kvantum-spin folyadékok altípusai – szilárd mágneses anyagok, amelyek nem képesek mágneses momentumaikat (vagy forgásaikat) szabályos és stabil mintázatba rendezni. Ez a „frusztrált” viselkedés nagyon különbözik a közönséges ferromágnesek vagy antiferromágnesek viselkedésétől, amelyek spinjei azonos vagy váltakozó irányba mutatnak. A QSL-ekben a pörgetések folyamatosan változtatják az irányt folyadékszerű módon, még ultrahideg hőmérsékleten is.

Ahhoz, hogy egy anyag KSL-nek minősüljön, tökéletes (pontosan megoldható) kétdimenziós méhsejt alakú ráccsal kell rendelkeznie, és a rácson belüli spineket szokatlan (Ising-típusú) cserekölcsönhatásokon keresztül kell összekapcsolni. Az ilyen kölcsönhatások felelősek a mindennapi anyagok, például a vas mágneses tulajdonságaiért, és azonos részecskepárok, például elektronok között jönnek létre – ami megakadályozza, hogy a szomszédos részecskék spinjei ugyanabba az irányba mutassanak. A KSL-k így állítólag szenvednek a „csere-összekapcsolási” frusztrációtól.

α-RuCl-ben₃, amely réteges méhsejt szerkezetű, mindegyik Ru³⁺ ion (-1/2 effektív spinnel) három kötést tartalmaz. Shibauchi és munkatársai kifejtik, hogy a két legrövidebb Ru-Cl-Ru 90°-os út közötti kölcsönhatások törlése Ising kölcsönhatásokhoz vezet a spintengellyel, amely merőleges a két utat tartalmazó síkra.

„A Majorana gerjesztés ismertetőjele”

A kutatók kísérleteik során az α-RuCl egykristályának hőkapacitását mérték₃ a legmodernebb, nagyfelbontású beállítás segítségével. Ezt az elrendezést egy piezo-alapú kéttengelyes forgatóval és szupravezető mágnessel felszerelt hígítóhűtőben helyezték el, amely forgó mágneses teret fejt ki a minta méhsejtsíkjára. Ezek a mérések egy topológiai élmódot tártak fel az anyagban, amely nagyon sajátos függést mutat a mágneses tér szögétől. Pontosabban, a kutatók azt találták, hogy nagyon alacsony hőmérsékleten az anyag hőkapacitása (termodinamikai mennyiség) hézagmentes gerjesztést mutat, amely hézagmentesre változik, ha a mágneses tér szöge néhány fokkal megdől. Ez a térszögtől való függés, mondják, a Majorana kvázirészecske-gerjesztésekre jellemző.

„Ez a folyékony forgásban várható Majorana gerjesztés ismertetőjele, amelyet Kitaev elméletileg megfogalmazott 2006-ban” – mondja Shibauchi. Fizika Világa. "Úgy gondoljuk, hogy ez nem magyarázható alternatív képekkel, és így meggyőző bizonyítékot szolgáltat ezekre a gerjesztésekre."

Shibauchi elismeri, hogy az ilyen mérések korábbi eredményei ellentmondásosak voltak, mivel a kutatók nehéznek találták megmondani, hogy a félegész kvantum Hall-effektusként ismert jelenség – a Majorana élmód jele – megjelent-e vagy sem. Míg egyes minták kimutatták a hatást, mások nem, sokan azt hitték, hogy más jelenség lehet a felelős. Shibauchi azonban azt mondja, hogy a csapat újszerű megközelítése, amely a Majorana gerjesztésekre jellemző szögfüggő részárási funkcióra összpontosít, „megoldja ezeket a kihívásokat”.

Még hosszú út áll előttünk

A kutatók szerint az új eredmények azt mutatják, hogy a Majorana fermionok mágneses szigetelő folyékony forgó állapotában is gerjeszthetők. "Ha sikerül megtalálni a módját az új kvázirészecskék manipulálására (ami nem lesz könnyű feladat), a jövőben hibatűrő topológiai kvantumszámítások valósulhatnak meg" - mondja Shibauchi.

Munkájukban, amelyet részletesen a Tudomány előlegek, a kutatóknak viszonylag nagy mágneses teret kellett alkalmazniuk ahhoz, hogy elérjék azt a Kitaev-spin folyékony állapotot, amely a Majorana viselkedésének otthont ad. Most olyan alternatív anyagokat keresnek, amelyekben a Majorana állapot alacsonyabb, vagy akár nulla mezőkön is megjelenhet. Emilio Cobanera, a fizikus a SUNY Polytechnic Institute New Yorkban aki nem vett részt a vizsgálatban, egyetért azzal, hogy ilyen anyagok lehetségesek.

Majorana módok továbbra is elkerülik

„Shibauchi és munkatársai nyomozói munkájának köszönhetően felvehetjük a listára a RuCl stabil fázisának rétegeit.₃ magabiztosan, és talán végre fejlesztjük azokat a kísérleti technikákat és találékonyságot, amelyekkel sok más anyagban bárkit felfedhetünk” – mondja. „Munkájukban a csapatnak két egzotikus forgatókönyvet kellett különbséget tennie: egyrészt a Kitaev méhsejt-modell fizikáját, az anyonok pontosan megoldható modelljét, és egy másik új fizikadarabot, a topológiailag nem triviális sávstruktúrákhoz kapcsolódó magnonokat. ”

Cobanera rámutat arra, hogy amint Shibauchi és munkatársai maguk is megjegyzik, ez a két forgatókönyv nagyon eltérő előrejelzéseket adna a Hall termikus vezetőképességének viselkedésére az alkalmazott, síkban lévő mágneses tér irányának változása esetén. Ezért ezt a megfigyelést a legmodernebb mezoszkópikus hőmérések segítségével követték, amelyek Cobanera szerint nyilvánvalóan összeegyeztethetetlenek a magnonikus magyarázattal, és félkvantitatívan alátámasztják a forgatókönyvet az anyonokkal.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/heat-capacity-measurements-reveal-majorana-fermions/