Raziskovalci na Japonskem in v Koreji trdijo, da so našli "prepričljive dokaze" za obstoj teoretično predlaganih delcev, imenovanih Majorana fermioni. Dokazi za te dolgo iskane delce so se pojavili v termodinamičnem obnašanju tako imenovanega magneta Kitaev in raziskovalci pravijo, da njihovih opazovanj ni mogoče razložiti z alternativnimi teorijami.
Majoranovi fermioni so poimenovani po italijanskem fiziku Ettoreju Majorani, ki je leta 1937 napovedal njihov obstoj. Ti delci so nenavadni, saj so lastni antidelci, v začetku leta 2000 pa je teoretični fizik Aleksej Kitajev napovedal, da bi lahko obstajali v obliki kvazidelcev, sestavljenih iz dveh parnih elektronov.
Ti kvazidelci so znani kot neabelski anyoni in ena od njihovih glavnih zanimivosti je, da so robustni na zunanje motnje. Natančneje, Kitaev je pokazal, da bi bila določena stanja, če bi bila uporabljena kot kvantni biti (ali kubiti), "topološko zaščitena", kar pomeni, da jih zunanji šum ne bi mogel naključno obrniti. To je pomembno, ker so takšne motnje eden glavnih kamnov spotike pri izdelavi praktičnega kvantnega računalnika, odpornega na napake.
Kitaev je pozneje predlagal, da bi ta Majoranova stanja lahko oblikovali kot stanja elektronskih napak, ki se pojavijo na koncih kvantnih nanožic, narejenih iz polprevodnika, ki se nahaja v bližini superprevodnika. Veliko kasnejšega dela se je zato osredotočilo na iskanje obnašanja Majorane v heterostrukturah polprevodnik-superprevodnik.
Drugačen pristop
V najnovejši študiji so raziskovalci pod vodstvom Takasada Šibauči od Oddelek za napredne znanosti o materialih na Univerzi v Tokiu, Japonska, skupaj s kolegi iz Korejski napredni inštitut za znanost in tehnologijo (KAIST), ubral drugačen pristop. Njihovo delo se osredotoča na material, imenovan α-RuCl3, ki je potencialni "gostitelj" za Majorana fermione, ker morda spada v razred materialov, znanih kot Kitaevske vrtilne tekočine (KSL).
Ti materiali so sami po sebi podvrsta kvantnih vrtilnih tekočin – trdnih magnetnih materialov, ki svojih magnetnih momentov (ali vrtljajev) ne morejo urediti v pravilen in stabilen vzorec. To "frustrirano" vedenje se zelo razlikuje od navadnih feromagnetov ali antiferomagnetov, ki imajo vrtljaje, ki kažejo v isti ali izmenični smeri. V QSL vrtljaji nenehno spreminjajo smer na tekočinski način, tudi pri ultra nizkih temperaturah.
Da bi se kvalificiral kot KSL, mora imeti material popolno (natančno rešljivo) dvodimenzionalno mrežo v obliki satja, vrtljaji znotraj te mreže pa morajo biti povezani z nenavadnimi (Isingove) izmenjave interakcij. Takšne interakcije so odgovorne za magnetne lastnosti vsakodnevnih materialov, kot je železo, in se pojavljajo med pari enakih delcev, kot so elektroni – z učinkom, da preprečijo, da bi vrtljaji sosednjih delcev kazali v isto smer. KSL-ji naj bi tako trpeli zaradi frustracij zaradi "spajanja izmenjave".
V α-RuCl3, ki ima plastno strukturo satja, vsak Ru3+ ion (z efektivnim spinom -1/2) ima tri vezi. Shibauchi in sodelavci pojasnjujejo, da prekinitev interakcij med dvema najkrajšima Ru-Cl-Ru 90° potkama vodi do Isingovih interakcij z osjo vrtenja, pravokotno na ravnino, ki vključuje ti dve poti.
"Znak navdušenja Majorana"
V svojih poskusih so raziskovalci izmerili toplotno kapaciteto posameznega kristala α-RuCl3 z uporabo najsodobnejše nastavitve visoke ločljivosti. Ta postavitev je bila vsebovana v hladilniku za redčenje, opremljenem z dvoosnim rotatorjem na osnovi piezo in superprevodnim magnetom, ki uporablja vrtljivo magnetno polje na satasto ravnino vzorca. Te meritve so pokazale način topološkega roba v materialu z zelo nenavadno odvisnostjo od kota magnetnega polja. Natančneje, raziskovalci so ugotovili, da pri zelo nizkih temperaturah toplotna kapaciteta materiala (termodinamična količina) kaže vzbujanja brez vrzeli, ki se spremenijo v vrzeli, ko je kot magnetnega polja nagnjen le za nekaj stopinj. Pravijo, da je ta odvisnost od kota polja značilna za vzbujanja kvazidelcev Majorana.
"To je značilnost vzbujanja Majorane, pričakovanega v vrtilnem tekočem stanju, ki ga je leta 2006 teoretično formuliral Kitaev," pravi Shibauchi. Svet fizike. "Verjamemo, da tega ni mogoče razložiti z alternativnimi slikami in tako zagotavlja prepričljive dokaze za ta navdušenja."
Shibauchi priznava, da so bili prejšnji rezultati takšnih meritev sporni, ker so raziskovalci težko ugotovili, ali se pojavi pojav, znan kot polceli kvantni Hallov učinek – značilnost robnega načina Majorana – ali ne. Medtem ko so nekateri vzorci pokazali učinek, drugi ne, zaradi česar so mnogi verjeli, da je morda odgovoren drug pojav. Vendar pa Shibauchi pravi, da nov pristop ekipe, ki se osredotoča na funkcijo zapiranja vrzeli, ki je odvisna od kota in je specifična za vzburjenja Majorane, "naslavlja te izzive".
Pred nami je še dolga pot
Po mnenju raziskovalcev novi rezultati kažejo, da je Majorana fermion mogoče vzbuditi v vrtilnem tekočem stanju magnetnega izolatorja. "Če lahko najdemo način za manipulacijo teh novih kvazidelcev (kar ne bo lahka naloga, se pravi), se lahko v prihodnosti uresničijo topološki kvantni izračuni, odporni na napake," pravi Shibauchi.
V svojem delu, ki je podrobno opisano v Znanost Predplačila, so raziskovalci morali uporabiti razmeroma visoko magnetno polje, da bi dosegli Kitajevsko spinsko tekoče stanje, ki gosti Majoranovo vedenje. Zdaj iščejo alternativne materiale, v katerih bi se stanje Majorana lahko pojavilo na nižjih ali celo ničelnih poljih. Emilio Cobanera, fizik na Politehnični inštitut SUNY v New Yorku ki ni bil vključen v študijo, se strinja, da so takšni materiali možni.
Načini Majorana se še naprej izmikajo
»Zahvaljujoč detektivskemu delu Shibauchija in sodelavcev lahko na seznam dodamo plasti stabilne faze RuCl3 z zaupanjem in morda končno razvijamo eksperimentalne tehnike in iznajdljivost, da bi razkrili vse v številnih drugih materialih,« pravi. »Pri svojem delu je ekipa morala razlikovati med dvema eksotičnima scenarijema: fiziko modela Kitajevskega satja na eni strani, natančno rešljivim modelom anyonov in drugim delom nove fizike, magnoni, povezanimi s topološko netrivialnimi pasovnimi strukturami. ”
Cobanera poudarja, da bi ta dva scenarija, kot ugotavljata Shibauchi in sodelavci, dala zelo različne napovedi za obnašanje toplotne prevodnosti Hall pri spremembah smeri uporabljenega magnetnega polja v ravnini. Temu opazovanju so zato sledili z najsodobnejšimi mezoskopskimi toplotnimi meritvami, ki so, kot pravi Cobanera, očitno neskladne z magnonsko razlago in polkvantitativno podpirajo scenarij z anioni.
- Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
- PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
- PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
- vir: https://physicsworld.com/a/heat-capacity-measurements-reveal-majorana-fermions/
