Forscher in Japan und Korea behaupten, „schlüssige Beweise“ für die Existenz theoretisch vorgeschlagener Teilchen namens Majorana-Fermionen gefunden zu haben. Der Beweis für diese lang gesuchten Teilchen erschien im thermodynamischen Verhalten eines sogenannten Kitaev-Magneten, und die Forscher sagen, dass ihre Beobachtungen nicht durch alternative Theorien erklärt werden können.
Majorana-Fermionen sind nach dem italienischen Physiker Ettore Majorana benannt, der ihre Existenz 1937 vorhersagte. Diese Teilchen sind insofern ungewöhnlich, als sie ihre eigenen Antiteilchen sind, und in den frühen 2000er Jahren galten sie als theoretische Physiker Alexei Kitajew vorhergesagt, dass sie in Form von Quasiteilchen existieren könnten, die aus zwei gepaarten Elektronen bestehen.
Diese Quasiteilchen sind als nichtabelsche Anyonen bekannt und eine ihrer Hauptattraktionen besteht darin, dass sie gegenüber äußeren Störungen robust sind. Insbesondere zeigte Kitaev, dass bestimmte Zustände bei der Verwendung als Quantenbits (oder Qubits) „topologisch geschützt“ wären, was bedeutet, dass sie nicht durch externes Rauschen zufällig umgedreht werden können. Dies ist wichtig, da solche Störungen eines der Haupthindernisse für die Entwicklung eines praktischen, fehlerresistenten Quantencomputers sind.
Kitaev schlug später vor, dass diese Majorana-Zustände als elektronische Defektzustände konstruiert werden könnten, die an den Enden von Quantennanodrähten auftreten, die aus einem Halbleiter in der Nähe eines Supraleiters bestehen. Viele nachfolgende Arbeiten konzentrierten sich daher auf die Suche nach Majorana-Verhalten in Halbleiter-Supraleiter-Heterostrukturen.
Ein anderer Ansatz
In der neuesten Studie haben Forscher unter der Leitung von Takasada Shibauchi dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Abteilung für fortgeschrittene Materialwissenschaften an der Universität Tokio, Japan, zusammen mit Kollegen am Korea Advanced Institute für Wissenschaft und Technologie (KAIST), verfolgte einen anderen Ansatz. Im Mittelpunkt ihrer Arbeit steht ein Material namens α-RuCl3, das ein potenzieller „Wirt“ für Majorana-Fermionen ist, da es möglicherweise zu einer Klasse von Materialien gehört, die als Kitaev-Spinflüssigkeiten (KSLs) bekannt sind.
Diese Materialien sind selbst eine Unterart von Quantenspinflüssigkeiten – feste magnetische Materialien, die ihre magnetischen Momente (oder Spins) nicht in einem regelmäßigen und stabilen Muster anordnen können. Dieses „frustrierte“ Verhalten unterscheidet sich stark von dem gewöhnlicher Ferromagnete oder Antiferromagnete, deren Spins in die gleiche bzw. wechselnde Richtung zeigen. In QSLs ändern die Spins selbst bei ultrakalten Temperaturen ständig ihre Richtung auf flüssigkeitsähnliche Weise.
Um sich als KSL zu qualifizieren, muss ein Material ein perfektes (genau lösbares) zweidimensionales wabenförmiges Gitter haben und die Spins innerhalb dieses Gitters müssen über ungewöhnliche (Ising-artige) Austauschwechselwirkungen gekoppelt sein. Solche Wechselwirkungen sind für die magnetischen Eigenschaften alltäglicher Materialien wie Eisen verantwortlich und treten zwischen Paaren identischer Teilchen wie Elektronen auf – mit dem Effekt, dass die Spins benachbarter Teilchen nicht in die gleiche Richtung zeigen. KSLs sollen daher unter der Frustration der „Austauschkopplung“ leiden.
In α-RuCl3, das eine geschichtete Wabenstruktur aufweist, jeweils Ru3+ Das Ion (mit einem effektiven Spin von -1/2) hat drei Bindungen. Shibauchi und Kollegen erklären, dass eine Aufhebung der Wechselwirkungen zwischen den beiden kürzesten Ru-Cl-Ru-90°-Pfaden zu Ising-Wechselwirkungen mit der Spinachse senkrecht zu der Ebene führt, die diese beiden Pfade enthält.
„Das Markenzeichen der Majorana-Erregungen“
In ihren Experimenten haben die Forscher die Wärmekapazität eines Einkristalls aus α-RuCl gemessen3 unter Verwendung eines hochmodernen hochauflösenden Setups. Dieser Aufbau befand sich in einem Verdünnungskühlschrank, der mit einem piezobasierten zweiachsigen Rotator und einem supraleitenden Magneten ausgestattet war, der ein rotierendes Magnetfeld auf die Wabenebene der Probe anlegt. Diese Messungen zeigten einen topologischen Kantenmodus im Material mit einer ganz besonderen Abhängigkeit vom Magnetfeldwinkel. Konkret fanden die Forscher heraus, dass die Wärmekapazität des Materials (eine thermodynamische Größe) bei sehr niedrigen Temperaturen lückenlose Anregungen aufweist, die sich in lückenhafte Anregungen verwandeln, wenn der Winkel des Magnetfelds nur um wenige Grad geneigt wird. Diese Abhängigkeit vom Feldwinkel sei charakteristisch für Majorana-Quasiteilchenanregungen.
„Dies ist das Kennzeichen der im Spinflüssigkeitszustand erwarteten Majorana-Anregungen, die 2006 von Kitaev theoretisch formuliert wurden“, erzählt Shibauchi Physik-Welt. „Wir glauben, dass dies nicht durch alternative Bilder erklärt werden kann und liefern somit einen schlüssigen Beweis für diese Erregungen.“
Shibauchi räumt ein, dass frühere Ergebnisse solcher Messungen kontrovers waren, weil es den Forschern schwer fiel, zu sagen, ob ein Phänomen namens halbzahliger Quanten-Hall-Effekt – eine Signatur des Majorana-Kantenmodus – aufgetreten ist oder nicht. Während einige Proben den Effekt zeigten, war dies bei anderen nicht der Fall, was viele zu der Annahme veranlasste, dass ein anderes Phänomen dafür verantwortlich sein könnte. Shibauchi sagt jedoch, dass der neuartige Ansatz des Teams, der sich auf die winkelabhängige Lückenschließungsfunktion konzentriert, die für Majorana-Anregungen spezifisch ist, „diese Herausforderungen angeht“.
Es liegt noch ein langer Weg vor uns
Den Forschern zufolge zeigen die neuen Ergebnisse, dass Majorana-Fermionen in einem Spinflüssigkeitszustand eines magnetischen Isolators angeregt werden können. „Wenn man einen Weg findet, diese neuen Quasiteilchen zu manipulieren (was allerdings keine leichte Aufgabe sein wird), könnten in Zukunft fehlertolerante topologische Quantenberechnungen realisiert werden“, sagt Shibauchi.
In ihrer Arbeit, die detailliert in Wissenschaft Fortschrittemussten die Forscher ein relativ hohes Magnetfeld anlegen, um den Kitaev-Spin-Flüssigkeitszustand zu erreichen, der das Majorana-Verhalten beherbergt. Sie suchen nun nach alternativen Materialien, in denen der Majorana-Zustand bei niedrigeren Feldern oder sogar bei Nullfeldern auftreten könnte. Emilio Cobanera, ein Physiker an der SUNY Polytechnic Institute in New York Wer nicht an der Studie beteiligt war, stimmt zu, dass solche Materialien möglich sind.
Majorana-Modi bleiben weiterhin aus
„Dank der detektivischen Arbeit von Shibauchi und Kollegen können wir der Liste die Schichten der stabilen Phase von RuCl hinzufügen3 mit Zuversicht, und vielleicht entwickeln wir endlich die experimentellen Techniken und den Einfallsreichtum, um irgendjemanden in vielen anderen Materialien zu enthüllen“, sagt er. „Bei seiner Arbeit musste das Team zwischen zwei exotischen Szenarien unterscheiden: einerseits der Physik des Kitaev-Wabenmodells, einem genau lösbaren Modell von Anyons, und andererseits einem Teil der neuen Physik, Magnonen, die mit topologisch nicht trivialen Bandstrukturen verbunden sind. ”
Cobanera weist darauf hin, dass diese beiden Szenarien, wie Shibauchi und Kollegen selbst anmerken, zu sehr unterschiedlichen Vorhersagen für das Verhalten der thermischen Hall-Leitfähigkeit bei Richtungsänderungen eines angelegten, in der Ebene liegenden Magnetfelds führen würden. Sie verfolgten diese Beobachtung daher mit modernsten mesoskopischen thermischen Messungen, die laut Cobanera eindeutig nicht mit einer magnonischen Erklärung vereinbar sind und das Szenario halbquantitativ mit anderen stützen.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/heat-capacity-measurements-reveal-majorana-fermions/
