日本和韩国的研究人员声称已经找到了理论上提出的称为马约拉纳费米子的粒子存在的“确凿证据”。这些备受追捧的粒子的证据出现在所谓的基塔耶夫磁体的热力学行为中，研究人员表示，他们的观察结果无法用其他理论来解释。
马约拉纳费米子以意大利物理学家 Ettore Majorana 的名字命名，他在 1937 年预测了它们的存在。这些粒子的不同寻常之处在于它们是自己的反粒子，在 2000 年代初，理论物理学家 阿列克谢·基塔耶夫 预测它们可能以由两对电子组成的准粒子的形式存在。
这些准粒子被称为非阿贝尔任意子，它们的主要吸引力之一是它们对外部扰动具有鲁棒性。具体来说，基塔耶夫表明，如果用作量子位（或量子位），某些状态将受到“拓扑保护”，这意味着它们不能被外部噪声随机翻转。这很重要，因为这种扰动是制造实用的、防错的量子计算机的主要障碍之一。
基塔耶夫后来提出，这些马约拉纳态可能被设计为电子缺陷态，出现在由位于超导体附近的半导体制成的量子纳米线的末端。因此，随后的许多工作都集中在寻找半导体-超导体异质结构中的马约拉纳行为。
一种不同的方法
在最新的研究中，研究人员领导 高定柴内 的 东京大学先进材料科学系，日本，与同事们一起 韩国高等科学技术研究院（KAIST），采取了不同的方法。他们的工作重点是一种名为 α-RuCl 的材料3，它是马约拉纳费米子的潜在“宿主”，因为它可能属于一类被称为基塔耶夫自旋液体（KSL）的材料。
这些材料本身就是量子自旋液体的一种子类型，即固体磁性材料，无法将其磁矩（或自旋）排列成规则且稳定的模式。这种“受挫”行为与普通铁磁体或反铁磁体的行为非常不同，普通铁磁体或反铁磁体的自旋分别指向相同或交替方向。在 QSL 中，即使在超冷温度下，自旋也会以类似流体的方式不断改变方向。
为了符合 KSL 的资格，材料必须具有完美的（完全可解的）二维蜂窝状晶格，并且该晶格内的自旋必须通过不寻常的（伊辛型）交换相互作用耦合。这种相互作用决定了铁等日常材料的磁性，并且它们发生在电子等相同粒子对之间，其作用是防止相邻粒子的自旋指向同一方向。因此，KSL 被认为遭受了“交换耦合”的挫败。
在α-RuCl中3，其具有层状蜂窝结构，每个Ru3+ 离子（有效自旋为-1/2）具有三个键。 Shibauchi 及其同事解释说，两条最短 Ru-Cl-Ru 90° 路径之间相互作用的取消会导致伊辛与垂直于包含这两条路径的平面的自旋轴相互作用。
“马约拉纳兴奋的标志”
在实验中，研究人员测量了 α-RuCl 单晶的热容量3 使用最先进的高分辨率设置。该装置包含在稀释制冷机中，该制冷机配备基于压电的两轴旋转器和超导磁体，该超导磁体向样品的蜂窝状平面施加旋转磁场。这些测量揭示了材料中的拓扑边缘模式，该模式对磁场角度具有非常特殊的依赖性。具体来说，研究人员发现，在非常低的温度下，材料的热容（热力学量）表现出无间隙激发，当磁场角度倾斜几度时，就会变成有间隙激发。他们说，这种对视场角的依赖性是马约拉纳准粒子激发的特征。
“这是自旋液态中预期的马约拉纳激发的标志，这是基塔耶夫在 2006 年从理论上提出的，”Shibauchi 告诉我们 物理世界。 “我们认为这无法用替代图片来解释，因此为这些兴奋提供了确凿的证据。”
Shibauchi 承认，之前此类测量的结果一直存在争议，因为研究人员发现很难判断是否出现了一种被称为半整数量子霍尔效应的现象（马约拉纳边缘模式的特征）。虽然一些样本显示出这种效应，但其他样本却没有，这让许多人相信可能是另一种现象造成的。然而，Shibauchi 表示，该团队的新颖方法专注于马约拉纳激发特有的角度依赖性间隙闭合特征，“解决了这些挑战”。
前面的路还很长
研究人员表示，新结果表明马约拉纳费米子可以在磁绝缘体的自旋液体状态下被激发。 Shibauchi 说：“如果人们能够找到一种方法来操纵这些新的准粒子（也就是说，这不是一件容易的任务），那么容错的拓扑量子计算可能在未来实现。”
在他们的工作中，详述于 科学进展，研究人员需要施加相对较高的磁场来实现具有马约拉纳行为的基塔耶夫自旋液态。他们现在正在寻找替代材料，其中马约拉纳态可能出现在较低甚至为零的磁场中。 埃米利奥·科巴内拉, 物理学家 纽约州立大学理工学院 没有参与这项研究的人也同意这种材料是可能的。
马约拉纳模式继续躲避
“感谢 Shibauchi 及其同事的探索工作，我们可以将 RuCl 稳定相的层添加到列表中3 充满信心，也许我们最终正在开发实验技术和独创性来揭示许多其他材料中的任意子，”他说。 “在他们的工作中，团队必须区分两种奇异的场景：一方面是基塔耶夫蜂窝模型的物理学，这是一个完全可解的任意子模型，另一方面是新的物理学，即与拓扑非平凡能带结构相关的磁振子。 ”
Cobanera 指出，正如 Shibauchi 及其同事自己所指出的那样，这两种情况会对所施加的面内磁场方向变化下的热霍尔电导行为产生非常不同的预测。因此，他们利用最先进的介观热测量来跟踪这一观察，科巴内拉说，这些测量显然与磁波解释不一致，并半定量地支持了任意子的情况。
