Onderzoekers in Japan en Korea beweren ‘doorslaggevend bewijs’ te hebben gevonden voor het bestaan van theoretisch voorgestelde deeltjes, genaamd Majorana-fermionen. Het bewijs voor deze lang gezochte deeltjes verscheen in het thermodynamische gedrag van een zogenaamde Kitaev-magneet, en de onderzoekers zeggen dat hun waarnemingen niet kunnen worden verklaard door alternatieve theorieën.
Majorana-fermionen zijn vernoemd naar de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana, die hun bestaan in 1937 voorspelde. Deze deeltjes zijn ongebruikelijk omdat ze hun eigen antideeltjes zijn, en begin jaren 2000 ontdekte de theoretisch natuurkundige Alexei Kitajev voorspelde dat ze zouden kunnen bestaan in de vorm van quasideeltjes bestaande uit twee gepaarde elektronen.
Deze quasideeltjes staan bekend als niet-Abelse anyons, en een van hun voornaamste voordelen is dat ze bestand zijn tegen verstoringen van buitenaf. Kitaev toonde specifiek aan dat, als ze als kwantumbits (of qubits) worden gebruikt, bepaalde toestanden “topologisch beschermd” zouden zijn, wat betekent dat ze niet willekeurig kunnen worden omgedraaid door externe ruis. Dit is belangrijk omdat dergelijke verstoringen een van de belangrijkste struikelblokken vormen bij het maken van een praktische, foutbestendige kwantumcomputer.
Kitaev stelde later voor dat deze Majorana-toestanden zouden kunnen worden ontworpen als elektronische defecttoestanden die voorkomen aan de uiteinden van kwantumnanodraden gemaakt van een halfgeleider die zich in de buurt van een supergeleider bevindt. Veel daaropvolgend werk is daarom gericht op het zoeken naar Majorana-gedrag in halfgeleider-supergeleider-heterostructuren.
Een andere aanpak
In de nieuwste studie hebben onderzoekers geleid door Takasada Shibauchi van de Afdeling Geavanceerde Materiaalwetenschappen aan de Universiteit van Tokio, Japan, samen met collega's van de Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), koos voor een andere aanpak. Hun werk concentreert zich op een materiaal genaamd α-RuCl3, wat een potentiële “gastheer” is voor Majorana-fermionen omdat het mogelijk tot een klasse materialen behoort die bekend staat als Kitaev-spinvloeistoffen (KSL’s).
Deze materialen zijn zelf een subtype van kwantumspinvloeistoffen – vaste magnetische materialen die hun magnetische momenten (of spins) niet in een regelmatig en stabiel patroon kunnen rangschikken. Dit ‘gefrustreerde’ gedrag is heel anders dan dat van gewone ferromagneten of antiferromagneten, die spins hebben die respectievelijk in dezelfde of wisselende richtingen wijzen. In QSL's veranderen de spins voortdurend op een vloeistofachtige manier van richting, zelfs bij ultrakoude temperaturen.
Om als KSL te kwalificeren, moet een materiaal een perfect (exact oplosbaar) tweedimensionaal honingraatvormig rooster hebben, en de spins binnen dit rooster moeten worden gekoppeld via ongebruikelijke (Ising-type) uitwisselingsinteracties. Dergelijke interacties zijn verantwoordelijk voor de magnetische eigenschappen van alledaagse materialen zoals ijzer, en ze vinden plaats tussen paren identieke deeltjes zoals elektronen – met als effect dat ze voorkomen dat de spins van aangrenzende deeltjes in dezelfde richting wijzen. Er wordt dus gezegd dat KSL's lijden onder frustratie over "uitwisselingskoppeling".
In α-RuCl3, die een gelaagde honingraatstructuur heeft, elke Ru3+ ion (met een effectieve spin van -1/2) heeft drie bindingen. Shibauchi en collega's leggen uit dat een annulering van interacties tussen de twee kortste Ru-Cl-Ru 90°-paden leidt tot Ising-interacties met de rotatie-as loodrecht op het vlak dat deze twee paden omvat.
“Het kenmerk van Majorana-excitaties”
In hun experimenten maten de onderzoekers de warmtecapaciteit van een enkel kristal van α-RuCl3 met behulp van een state-of-the-art hoge-resolutie-opstelling. Deze opstelling bevond zich in een verdunningskoelkast uitgerust met een op piëzo gebaseerde rotator met twee assen en een supergeleidende magneet die een roterend magnetisch veld op het honingraatvlak van het monster aanbrengt. Deze metingen onthulden een topologische randmodus in het materiaal met een zeer bijzondere afhankelijkheid van de magnetische veldhoek. Concreet ontdekten de onderzoekers dat bij zeer lage temperaturen de warmtecapaciteit van het materiaal (een thermodynamische grootheid) gapless excitaties vertoont die veranderen in gapped excitaties wanneer de hoek van het magnetische veld slechts een paar graden wordt gekanteld. Deze afhankelijkheid van de veldhoek is, zo zeggen ze, kenmerkend voor excitaties van Majorana-quasideeltjes.
“Dit is het kenmerk van Majorana-excitaties die worden verwacht in de spin-vloeistoftoestand, die theoretisch werd geformuleerd door Kitaev in 2006”, vertelt Shibauchi. Natuurkunde wereld. “Wij zijn van mening dat dit niet kan worden verklaard door alternatieve beelden en leveren daarmee sluitend bewijs voor deze opwindingen.”
Shibauchi erkent dat eerdere resultaten van dergelijke metingen controversieel waren, omdat onderzoekers het moeilijk vonden om te zeggen of een fenomeen dat bekend staat als het halfgehele kwantum Hall-effect – een kenmerk van de Majorana-randmodus – al dan niet verscheen. Hoewel sommige monsters het effect lieten zien, lieten andere dat niet zien, waardoor velen gingen geloven dat een ander fenomeen verantwoordelijk zou kunnen zijn. Shibauchi zegt echter dat de nieuwe aanpak van het team, gericht op de hoekafhankelijke functie voor het sluiten van gaten die specifiek is voor Majorana-excitaties, “deze uitdagingen aanpakt”.
Nog een lange weg te gaan
Volgens de onderzoekers laten de nieuwe resultaten zien dat Majorana-fermionen kunnen worden geëxciteerd in een spin-vloeistoftoestand van een magnetische isolator. “Als je een manier kunt vinden om deze nieuwe quasideeltjes te manipuleren (wat overigens geen gemakkelijke taak zal zijn), kunnen in de toekomst fouttolerante topologische kwantumberekeningen worden gerealiseerd”, zegt Shibauchi.
In hun werk, dat wordt beschreven in Wetenschap Advancesmoesten de onderzoekers een relatief hoog magnetisch veld aanleggen om de Kitaev-spin-vloeistoftoestand te bereiken die het Majorana-gedrag herbergt. Ze zijn nu op zoek naar alternatieve materialen waarin de Majorana-staat zou kunnen verschijnen bij lagere of zelfs nulvelden. Emilio Cobanera, een natuurkundige aan de SUNY Polytechnisch Instituut in New York die niet bij het onderzoek betrokken was, is het ermee eens dat dergelijke materialen mogelijk zijn.
Majorana-modi blijven zich onttrekken
“Dankzij het speurwerk van Shibauchi en collega’s kunnen we de lagen van de stabiele fase van RuCl aan de lijst toevoegen3 met vertrouwen, en misschien ontwikkelen we eindelijk de experimentele technieken en vindingrijkheid om iedereen in veel andere materialen te onthullen”, zegt hij. “In hun werk moest het team onderscheid maken tussen twee exotische scenario’s: de fysica van het Kitaev-honingraatmodel aan de ene kant, een exact oplosbaar model van anyons, en een ander stukje nieuwe fysica, magnonen geassocieerd met topologisch niet-triviale bandstructuren. ”
Cobanera wijst erop dat, zoals Shibauchi en collega's zelf opmerken, deze twee scenario's zeer verschillende voorspellingen zouden opleveren voor het gedrag van de thermische Hall-geleiding onder veranderingen in de richting van een aangelegd magnetisch veld in het vlak. Daarom volgden ze deze observatie met ultramoderne mesoscopische thermische metingen die, zegt Cobanera, duidelijk inconsistent zijn met een magnonische verklaring en semi-kwantitatief het scenario ondersteunen.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://physicsworld.com/a/heat-capacity-measurements-reveal-majorana-fermions/
