Các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản và Hàn Quốc tuyên bố đã tìm thấy “bằng chứng thuyết phục” cho sự tồn tại của các hạt được đề xuất về mặt lý thuyết gọi là fermion Majorana. Bằng chứng cho những hạt được tìm kiếm lâu nay này xuất hiện trong đặc tính nhiệt động của cái gọi là nam châm Kitaev, và các nhà nghiên cứu cho biết những quan sát của họ không thể giải thích được bằng các lý thuyết khác.
Fermion Majorana được đặt theo tên của nhà vật lý người Ý Ettore Majorana, người đã dự đoán sự tồn tại của chúng vào năm 1937. Những hạt này khác thường ở chỗ chúng là phản hạt của chính chúng, và vào đầu những năm 2000, nhà vật lý lý thuyết đã Alexei Kitaev dự đoán rằng chúng có thể tồn tại ở dạng giả hạt gồm hai electron ghép đôi.
Những giả hạt này được gọi là các hạt bất kỳ không phải Abelian, và một trong những điểm hấp dẫn chính của chúng là chúng rất bền trước các nhiễu loạn bên ngoài. Cụ thể, Kitaev đã chỉ ra rằng, nếu được sử dụng làm bit lượng tử (hoặc qubit), một số trạng thái nhất định sẽ được “bảo vệ về mặt cấu trúc liên kết”, nghĩa là chúng không thể bị đảo lộn ngẫu nhiên bởi tiếng ồn bên ngoài. Điều này rất quan trọng vì những nhiễu loạn như vậy là một trong những trở ngại chính trong việc chế tạo một máy tính lượng tử thực tế, có khả năng chống lỗi.
Kitaev sau đó đề xuất rằng những trạng thái Majorana này có thể được thiết kế thành những trạng thái khiếm khuyết điện tử xảy ra ở hai đầu dây nano lượng tử làm từ chất bán dẫn nằm gần chất siêu dẫn. Do đó, nhiều công việc tiếp theo đã tập trung vào việc tìm kiếm hành vi Majorana trong các cấu trúc dị thể chất bán dẫn-siêu dẫn.
Một cách tiếp cận khác
Trong nghiên cứu mới nhất, các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Takasada Shibauchi của Khoa Khoa học Vật liệu Tiên tiến tại Đại học TokyoNhật Bản cùng với các đồng nghiệp tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST), đã thực hiện một cách tiếp cận khác. Công việc của họ tập trung vào một loại vật liệu gọi là α-RuCl3, là “vật chủ” tiềm năng cho fermion Majorana vì nó có thể thuộc về một loại vật liệu được gọi là chất lỏng quay Kitaev (KSL).
Bản thân những vật liệu này là một loại phụ của chất lỏng spin lượng tử – những vật liệu từ tính rắn không thể sắp xếp các mômen từ (hoặc spin) của chúng thành một khuôn mẫu đều đặn và ổn định. Hành vi “khó chịu” này rất khác với hành vi của chất sắt từ hoặc chất phản sắt từ thông thường, chúng có spin lần lượt hướng cùng hướng hoặc xen kẽ nhau. Trong QSL, các spin liên tục thay đổi hướng theo kiểu chất lỏng, ngay cả ở nhiệt độ cực lạnh.
Để đủ điều kiện là KSL, vật liệu phải có mạng hình tổ ong hai chiều hoàn hảo (có thể giải được chính xác) và các spin trong mạng này phải được ghép nối thông qua các tương tác trao đổi (loại Ising) bất thường. Những tương tác như vậy là nguyên nhân gây ra các tính chất từ của các vật liệu hàng ngày như sắt, và chúng xảy ra giữa các cặp hạt giống hệt nhau như electron – với tác dụng ngăn cản spin của các hạt lân cận hướng về cùng một hướng. Do đó, KSL được cho là đang gặp phải sự thất vọng về “khớp nối trao đổi”.
Trong α-RuCl3, có cấu trúc tổ ong nhiều lớp, mỗi Ru3+ ion (có spin hiệu dụng -1/2) có ba liên kết. Shibauchi và các đồng nghiệp giải thích rằng việc hủy bỏ các tương tác giữa hai đường đi Ru-Cl-Ru 90° ngắn nhất dẫn đến tương tác Ising với trục quay vuông góc với mặt phẳng bao gồm hai đường đi này.
“Dấu ấn của sự kích thích Majorana”
Trong các thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu đã đo nhiệt dung của một tinh thể α-RuCl3 sử dụng thiết lập độ phân giải cao hiện đại. Thiết lập này được chứa trong một tủ lạnh pha loãng được trang bị một máy quay hai trục dựa trên áp điện và một nam châm siêu dẫn tác dụng một từ trường quay lên mặt phẳng tổ ong của mẫu. Các phép đo này cho thấy chế độ cạnh tôpô trong vật liệu có sự phụ thuộc rất đặc biệt vào góc từ trường. Cụ thể, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng ở nhiệt độ rất thấp, công suất nhiệt của vật liệu (một đại lượng nhiệt động) cho thấy các kích thích không khe hở chuyển thành khe hở khi góc của từ trường nghiêng chỉ vài độ. Họ nói, sự phụ thuộc vào góc trường này là đặc trưng của sự kích thích quasi hạt Majorana.
Shibauchi nói: “Đây là dấu hiệu đặc trưng của các kích thích Majorana được mong đợi ở trạng thái spin lỏng, được Kitaev xây dựng trên lý thuyết vào năm 2006”. Thế giới vật lý. “Chúng tôi tin rằng điều này không thể giải thích được bằng những bức tranh thay thế và do đó cung cấp bằng chứng thuyết phục cho những kích thích này.”
Shibauchi thừa nhận rằng các kết quả trước đây của những phép đo như vậy đã gây tranh cãi vì các nhà nghiên cứu khó có thể biết liệu một hiện tượng gọi là hiệu ứng Hall lượng tử bán nguyên – một dấu hiệu của chế độ cạnh Majorana – có xuất hiện hay không. Trong khi một số mẫu cho thấy hiệu ứng này thì những mẫu khác thì không, khiến nhiều người tin rằng nguyên nhân có thể là do một hiện tượng khác. Tuy nhiên, Shibauchi cho biết cách tiếp cận mới của nhóm, tập trung vào tính năng thu hẹp khoảng cách phụ thuộc vào góc dành riêng cho các kích thích Majorana, “giải quyết được những thách thức này”.
Vẫn còn một chặng đường dài phía trước
Theo các nhà nghiên cứu, kết quả mới cho thấy fermion Majorana có thể bị kích thích ở trạng thái spin lỏng của chất cách điện từ tính. Shibauchi nói: “Nếu người ta có thể tìm ra cách điều khiển các giả hạt mới này (điều này không phải là một nhiệm vụ dễ dàng), thì các tính toán lượng tử tôpô có khả năng chịu lỗi có thể được thực hiện trong tương lai”.
Trong công việc của họ, được trình bày chi tiết trong Những tiến bộ khoa học, các nhà nghiên cứu cần tác dụng một từ trường tương đối cao để đạt được trạng thái lỏng spin Kitaev, nơi tổ chức hành trạng Majorana. Hiện họ đang tìm kiếm các vật liệu thay thế trong đó trạng thái Majorana có thể xuất hiện ở các trường thấp hơn, hoặc thậm chí bằng 0. Emilio Cobanera, một nhà vật lý tại Học viện Bách khoa SUNY ở New York người không tham gia vào nghiên cứu đồng ý rằng những tài liệu như vậy là có thể.
Chế độ Majorana tiếp tục trốn tránh
“Nhờ công trình nghiên cứu của Shibauchi và các đồng nghiệp, chúng tôi có thể bổ sung vào danh sách các lớp của pha ổn định của RuCl3 với sự tự tin, và có lẽ cuối cùng chúng tôi cũng đang phát triển các kỹ thuật thử nghiệm và sự khéo léo để khám phá bất kỳ ai trong nhiều vật liệu khác,” ông nói. “Trong công việc của mình, nhóm nghiên cứu đã phải phân biệt giữa hai kịch bản kỳ lạ: một mặt là tính chất vật lý của mô hình tổ ong Kitaev, một mô hình có thể giải chính xác của bất kỳ hạt nào, và một mặt khác của vật lý mới, các nam châm liên quan đến các cấu trúc dải không tầm thường về mặt tôpô. ”
Cobanera chỉ ra rằng, như chính Shibauchi và các đồng nghiệp lưu ý, hai kịch bản này sẽ mang lại những dự đoán rất khác nhau về hoạt động của độ dẫn Hall nhiệt dưới sự thay đổi theo hướng của từ trường trong mặt phẳng tác dụng. Do đó, họ đã tuân theo quan sát này bằng các phép đo nhiệt siêu âm hiện đại mà theo Cobanera, rõ ràng là không phù hợp với lời giải thích khoa trương và ủng hộ kịch bản bán định lượng với bất kỳ ai.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://physicsworld.com/a/heat-capacity-measurements-reveal-majorana-fermions/
