يزعم الباحثون في اليابان وكوريا أنهم عثروا على "دليل قاطع" على وجود جسيمات مقترحة نظريًا تسمى فرميونات ماجورانا. وظهر الدليل على وجود هذه الجسيمات التي طال انتظارها في السلوك الديناميكي الحراري لما يسمى بمغناطيس كيتايف، ويقول الباحثون إن ملاحظاتهم لا يمكن تفسيرها بنظريات بديلة.
تمت تسمية فرميونات ماجورانا على اسم الفيزيائي الإيطالي إيتوري ماجورانا، الذي تنبأ بوجودها في عام 1937. هذه الجسيمات غير عادية من حيث أنها جسيمات مضادة خاصة بها، وفي أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، اكتشف عالم الفيزياء النظرية أليكسي كيتاييف وتوقع أنها يمكن أن توجد في شكل أشباه جسيمات تتكون من إلكترونين مقترنين.
تُعرف أشباه الجسيمات هذه باسم الأنيونات غير الأبيلية، وأحد عوامل الجذب الرئيسية فيها هو أنها قوية في مواجهة الاضطرابات الخارجية. على وجه التحديد، أظهر كيتايف أنه إذا تم استخدامها كبتات كمية (أو كيوبتات)، فإن حالات معينة ستكون "محمية طوبولوجيًا"، مما يعني أنه لا يمكن قلبها عشوائيًا بواسطة الضوضاء الخارجية. وهذا أمر مهم لأن مثل هذه الاضطرابات هي إحدى العقبات الرئيسية أمام صنع حاسوب كمي عملي ومقاوم للأخطاء.
اقترح كيتايف لاحقًا أنه يمكن هندسة حالات ماجورانا هذه كحالات خلل إلكتروني تحدث في نهايات الأسلاك النانوية الكمومية المصنوعة من شبه موصل يقع بالقرب من موصل فائق. لذلك ركز الكثير من العمل اللاحق على البحث عن سلوك ماجورانا في الهياكل المتغايرة لأشباه الموصلات والموصلات الفائقة.
وهناك نهج مختلف
وفي أحدث دراسة، قام الباحثون بقيادة تاكاسادا شيبوتشي ل قسم علوم المواد المتقدمة في جامعة طوكيو، اليابان، جنبا إلى جنب مع زملائه في المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST)، اتخذ نهجا مختلفا. يركز عملهم على مادة تسمى α-RuCl3، وهو "مضيف" محتمل لفرميونات ماجورانا لأنه قد ينتمي إلى فئة من المواد المعروفة باسم سوائل كيتايف المغزلية (KSLs).
هذه المواد هي في حد ذاتها نوع فرعي من السوائل الكمومية المغزلية، وهي مواد مغناطيسية صلبة لا يمكنها ترتيب لحظاتها المغناطيسية (أو دوراناتها) في نمط منتظم ومستقر. يختلف هذا السلوك "المحبط" تمامًا عن سلوك المغناطيسات الحديدية العادية أو المغناطيسات المضادة، التي لها دوران يشير إلى نفس الاتجاه أو في اتجاهات متناوبة، على التوالي. في QSLs، تغير السبينات اتجاهها باستمرار بطريقة تشبه السوائل، حتى في درجات الحرارة شديدة البرودة.
للتأهل كـ KSL، يجب أن تحتوي المادة على شبكة مثالية ثنائية الأبعاد على شكل قرص العسل (قابلة للحل تمامًا)، ويجب أن تقترن الدورات المغزلية داخل هذه الشبكة عبر تفاعلات تبادل غير عادية (من نوع Ising). مثل هذه التفاعلات هي المسؤولة عن الخواص المغناطيسية للمواد اليومية مثل الحديد، وهي تحدث بين أزواج من الجسيمات المتطابقة مثل الإلكترونات - مع تأثير منع دوران الجسيمات المجاورة من الإشارة في نفس الاتجاه. ومن ثم يقال إن KSLs تعاني من إحباط "اقتران التبادل".
في α-RuCl3، الذي يحتوي على هيكل قرص العسل متعدد الطبقات، كل رو3+ أيون (مع دوران فعال قدره -1/2) لديه ثلاث روابط. يوضح شيبوتشي وزملاؤه أن إلغاء التفاعلات بين أقصر مسارين Ru-Cl-Ru بزاوية 90° يؤدي إلى تفاعلات Ising مع محور الدوران المتعامد مع المستوى الذي يتضمن هذين المسارين.
"السمة المميزة لإثارة ماجورانا"
في تجاربهم، قام الباحثون بقياس السعة الحرارية لبلورة واحدة من α-RuCl3 باستخدام أحدث إعداد عالي الدقة. تم احتواء هذا الإعداد في ثلاجة مخففة مجهزة بمحور دوار ثنائي المحور قائم على بيزو ومغناطيس فائق التوصيل يطبق مجالًا مغناطيسيًا دوارًا على مستوى قرص العسل الخاص بالعينة. كشفت هذه القياسات عن وضع الحافة الطوبولوجية في المادة مع اعتماد غريب جدًا على زاوية المجال المغناطيسي. على وجه التحديد، وجد الباحثون أنه عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا، تُظهر السعة الحرارية للمادة (كمية ديناميكية حرارية) إثارات بلا فجوات تتغير إلى فجوات عندما تميل زاوية المجال المغناطيسي ببضع درجات فقط. ويقولون إن هذا الاعتماد على زاوية المجال هو سمة من سمات إثارة أشباه الجسيمات في ماجورانا.
يقول شيبوتشي: "هذه هي السمة المميزة لإثارة ماجورانا المتوقعة في الحالة السائلة المغزلية، والتي صاغها كيتايف نظريًا في عام 2006". عالم الفيزياء. "نعتقد أن هذا لا يمكن تفسيره بالصور البديلة، وبالتالي يقدم دليلا قاطعا على هذه الإثارة".
يعترف شيبوتشي بأن النتائج السابقة لمثل هذه القياسات كانت مثيرة للجدل لأن الباحثين وجدوا صعوبة في معرفة ما إذا كانت الظاهرة المعروفة باسم تأثير هول الكمي نصف الصحيح - وهي علامة على وضع حافة ماجورانا - قد ظهرت أم لا. وفي حين أظهرت بعض العينات التأثير، فإن البعض الآخر لم يفعل ذلك، مما دفع الكثيرين إلى الاعتقاد بأن ظاهرة مختلفة قد تكون مسؤولة. ومع ذلك، يقول شيبوتشي إن النهج الجديد الذي اتبعه الفريق، والذي يركز على خاصية إغلاق الفجوة المعتمدة على الزاوية والخاصة بإثارات ماجورانا، "يعالج هذه التحديات".
لا يزال الطريق طويلا أمامنا
وفقًا للباحثين، أظهرت النتائج الجديدة أن فرميونات ماجورانا يمكن تحفيزها في حالة سائلة تدور في عازل مغناطيسي. يقول شيبوتشي: "إذا تمكن المرء من إيجاد طريقة للتعامل مع أشباه الجسيمات الجديدة هذه (والتي لن تكون مهمة سهلة على الإطلاق)، فقد يتم تحقيق حسابات كمومية طوبولوجية متسامحة مع الأخطاء في المستقبل".
في عملهم ، والذي تم تفصيله في علم السلفاحتاج الباحثون إلى تطبيق مجال مغناطيسي مرتفع نسبيًا لتحقيق حالة كيتايف السائلة المغزلية التي تستضيف سلوك ماجورانا. إنهم يبحثون الآن عن مواد بديلة قد تظهر فيها ولاية ماجورانا في حقول أقل، أو حتى صفر. إميليو كوبانيرا، وهو فيزيائي في معهد جامعة ولاية نيويورك للفنون التطبيقية في نيويورك الذي لم يشارك في الدراسة، يوافق على أن مثل هذه المواد ممكنة.
تستمر أوضاع ماجورانا في المراوغة
"بفضل العمل البوليسي الذي قام به شيبوتشي وزملاؤه، يمكننا أن نضيف إلى القائمة طبقات المرحلة المستقرة من RuCl3 بثقة، وربما نعمل أخيرًا على تطوير التقنيات التجريبية والإبداع للكشف عن الأنيونات في العديد من المواد الأخرى.» "في عملهم، كان على الفريق أن يفرق بين سيناريوهين غريبين: فيزياء نموذج قرص العسل كيتايف من ناحية، وهو نموذج قابل للحل تمامًا للأنيونات، وجزء آخر من فيزياء جديدة، المجنونات المرتبطة بهياكل نطاقية غير تافهة طوبولوجيًا. "
ويشير كوبانيرا إلى أنه، كما لاحظ شيبوتشي وزملاؤه أنفسهم، فإن هذين السيناريوهين سينتج عنهما تنبؤات مختلفة تمامًا لسلوك موصلية القاعة الحرارية في ظل التغيرات في اتجاه المجال المغناطيسي المطبق داخل المستوى. ولذلك فقد أتبعوا هذه الملاحظة بقياسات حرارية مجهرية حديثة، والتي، كما يقول كوبانيرا، لا تتفق بشكل واضح مع التفسير المغنطيسي وتدعم بشكل شبه كمي السيناريو مع الأنيونات.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://physicsworld.com/a/heat-capacity-measurements-reveal-majorana-fermions/
