日本和韓國的研究人員聲稱已經找到了理論上提出的稱為馬約拉納費米子的粒子存在的「確鑿證據」。這些備受追捧的粒子的證據出現在所謂的基塔耶夫磁鐵的熱力學行為中，研究人員表示，他們的觀察結果無法用其他理論來解釋。
馬約拉納費米子以義大利物理學家Ettore Majorana 的名字命名，他在1937 年預測了它們的存在。這些粒子的不同尋常之處在於它們是自己的反粒子，在2000 年代初，理論物理學家 阿列克謝·基塔耶夫 預測它們可能以由兩對電子組成的準粒子的形式存在。
這些準粒子被稱為非阿貝爾任意子，它們的主要吸引力之一是它們對外部擾動具有穩健性。具體來說，基塔耶夫表明，如果用作量子位元（或量子位元），某些狀態將受到“拓撲保護”，這意味著它們不能被外部雜訊隨機翻轉。這很重要，因為這種擾動是製造實用的、防錯的量子電腦的主要障礙之一。
基塔耶夫後來提出，這些馬約拉納態可能被設計為電子缺陷態，出現在位於超導體附近的半導體製成的量子奈米線的末端。因此，隨後的許多工作都集中在尋找半導體-超導體異質結構中的馬約拉納行為。
不同的方法
在最新的研究中，研究人員領導 高訂柴內 的 東京大學先進材料科學系，日本，與同事們一起 韓國科學技術高等研究院（KAIST），採取了不同的方法。他們的工作重點是一種名為 α-RuCl 的材料3，它是馬約拉納費米子的潛在“宿主”，因為它可能屬於一類被稱為基塔耶夫自旋液體（KSL）的材料。
這些材料本身就是量子自旋液體的一種子類型，即固體磁性材料，無法將其磁矩（或自旋）排列成規則且穩定的模式。這種「受挫」行為與普通鐵磁體或反鐵磁體的行為非常不同，普通鐵磁體或反鐵磁體的自旋分別指向相同或交替方向。在 QSL 中，即使在超冷溫度下，自旋也會以類似流體的方式不斷改變方向。
為了符合 KSL 的資格，材料必須具有完美的（完全可解的）二維蜂窩狀晶格，並且該晶格內的自旋必須透過不尋常的（伊辛型）交換相互作用耦合。這種相互作用決定了鐵等日常材料的磁性，並且它們發生在電子等成對的相同粒子之間，其作用是防止相鄰粒子的自旋指向同一方向。因此，KSL 被認為遭受了「交換耦合」的挫敗。
在α-RuCl中3，其具有層狀蜂窩結構，每個Ru3+ 離子（有效自旋為-1/2）具有三個鍵。 Shibauchi 及其同事解釋說，兩條最短 Ru-Cl-Ru 90° 路徑之間相互作用的取消會導致伊辛與垂直於包含這兩條路徑的平面的自旋軸相互作用。
“馬約拉納興奮的標誌”
在實驗中，研究人員測量了 α-RuCl 單晶的熱容量3 使用最先進的高解析度設定。該裝置包含在稀釋製冷機中，該製冷機配備基於壓電的兩軸旋轉器和超導磁鐵，該磁體向樣品的蜂窩狀平面施加旋轉磁場。這些測量揭示了材料中的拓撲邊緣模式，該模式對磁場角度具有非常特殊的依賴性。具體來說，研究人員發現，在非常低的溫度下，材料的熱容（熱力學量）表現出無間隙激發，當磁場角度傾斜幾度時，就會變成有間隙激發。他們說，這種對視場角的依賴性是馬約拉納準粒子激發的特徵。
「這是自旋液態中預期的馬約拉納激發的標誌，這是基塔耶夫在 2006 年從理論上提出的，」Shibauchi 告訴我們 物理世界。 “我們認為這無法用替代圖片來解釋，因此為這些興奮提供了確鑿的證據。”
Shibauchi 承認，先前此類測量的結果一直存在爭議，因為研究人員發現很難判斷是否出現了一種被稱為半整數量子霍爾效應的現象（馬約拉納邊緣模式的特徵）。雖然有些樣本顯示出這種效應，但其他樣本卻沒有，這讓許多人相信可能是另一種現象造成的。然而，Shibauchi 表示，該團隊的新穎方法專注於馬約拉納激發特有的角度依賴性間隙閉合特徵，「解決了這些挑戰」。
前面的路還很長
研究人員表示，新結果顯示馬約拉納費米子可以在磁絕緣體的自旋液體狀態下被激發。 Shibauchi 說：“如果人們能夠找到一種方法來操縱這些新的準粒子（也就是說，這不是一件容易的任務），那麼容錯的拓撲量子計算可能在未來實現。”
在他們的工作中，詳述於 科學進展，研究人員需要施加相對較高的磁場來實現具有馬約拉納行為的基塔耶夫自旋液態。他們現在正在尋找替代材料，其中馬約拉納態可能出現在較低甚至為零的磁場中。 埃米利奧·科巴內拉，一名物理學家 紐約州立大學理工學院 沒有參與這項研究的人也同意這種材料是可能的。
馬約拉納模式繼續躲避
「感謝 Shibauchi 及其同事的探索工作，我們可以將 RuCl 穩定相的層添加到清單中3 充滿信心，也許我們最終正在開發實驗技術和獨創性來揭示許多其他材料中的任意子，」他說。 「在他們的工作中，團隊必須區分兩個奇怪的場景：一方面是基塔耶夫蜂窩模型的物理學，這是一個完全可解的任意子模型，另一方面是新的物理學，即與拓樸非平凡能帶結構相關的磁振子。 ”
Cobanera 指出，正如 Shibauchi 及其同事自己所指出的那樣，這兩種情況會對所施加的面內磁場方向變化下的熱霍爾電導行為產生非常不同的預測。因此，他們利用最先進的介觀熱測量來追蹤這一觀察，科巴內拉說，這些測量顯然與磁波解釋不一致，並半定量地支持了任意子的情況。
