Forskere foreslår en ny metode til at verificere eksistensen af ​​Majorana fermioner

Et lavtemperaturmateriale fremstillet af elementerne praseodym, osmium, og antimon bør være i stand til at være vært for subatomære partikler kendt som Majorana fermioner, MIT -forskere har vist i en teoretisk analyse.

Majorana fermioner, først forudsagt af fysikere i 1937, kan betragtes som elektroner opdelt i to dele, som hver især opfører sig som uafhængige partikler. Disse fermioner eksisterer ikke som elementarpartikler i naturen, men kan dukke op i visse superledende materialer nær absolut nul temperatur. I superledende materialer, elektroner flyder uden modstand, der genererer lidt eller ingen varme.

Den nye analyse af kandidatstuderende Vladyslav Kozii, postdoc Jörn Venderbos, og Lawrence C. (1944) og Sarah W. Biedenharn Karriereudviklingsassistent Professor Liang Fu forudser, at denne særlige tilstand skulle forekomme i et praseodym, osmium- og antimonforbindelse, PrO'er ₄ Sb ₁₂ , og lignende materialer fremstillet af tungmetaller.

Fysikere beskriver elektroner ved deres energi, momentum, og spin. En elektron kan optage et muligt energiniveau, og et ubeboet niveau kaldes et hul. I den nye analyse, Majorana fermioner opstår som en kvanteoverlejring af en elektron og et hul, der bevæger sig frit, med hver den samme retning, eller spin. Denne Majorana fermion spin kan interagere med spin af atomkerner i materialet, så det burde ses ved hjælp af nuklear magnetisk resonans teknikker, de forudsiger.

"Vi henvender os til en bestemt klasse af superledere, vise, at de har Majorana fermioner som frit formerende kvasipartikler i hovedparten, og se derefter på, hvordan de kan opdages, og hvilke andre egenskaber disse materialer har, som man kunne bruge i fremtiden til interessant funktionalitet, "siger Venderbos." Jeg synes, at det meget flot bygger bro mellem eksperiment og teori, og det kan bruges af eksperimenterede lige nu. "Deres papir blev offentliggjort i denne måned i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

Et centralt fysikbegreb i dette værk er tidsomvendt symmetri. Sådan symmetri betyder, at bevægelsesligninger, der styrer et objekt eller en partikel, forbliver de samme, hvis man kunne vende tidens retning - med tiden, der flyder baglæns fremad. Hvis elektronernes bevægelsesligning i et materiale er anderledes, når tiden flyder baglæns - som det er tilfældet i magneter, for eksempel-så siges tidsomvendt symmetri at være brudt. Dette giver fysikere en vigtig måde at skelne mellem forskellige materialer. I den foreslåede antimonforbindelsesbaserede superleder, analyse viser, at Majorana fermioner kun kan eksistere, når tidsomvendt symmetri er brudt. Ved at vende bevægelsen i tide, drejningen af ​​Majorana fermionerne er vendt - f.eks. fra med uret til mod uret - og dette indebærer en anden bevægelsesligning for Majorana fermioner, der går baglæns i tiden. "Med hensyn til det materiale, vi foreslog, faktisk er der et nyligt eksperiment, der bekræfter, at tidsomvendt symmetri brydes i dette materialets superledende tilstand. Dette forstærker vores konklusion om, at det virkelig er en meget lovende kandidat for vores teori at anvende, ”Forklarer Kozii.

Majorana fermioner blev først foreslået af den italienske fysiker Ettore Majorana som en særlig matematisk løsning til elektroners kvanteopførsel. Princeton-universitetets forskere rapporterede påvisning af en nul-dimensionel realisering af disse partikler i slutningen af ​​en atomkæde i oktober 2014. MIT-teoretikere viser nu, at de tredimensionelle formerende Majorana-fermioner, de forudsiger, er styret af Majoranas oprindelige ligning. "Den omfattende undersøgelse, vi har udført, viser, at denne særegne partikel nu kan finde sin realisering i faststoffysik i et ægte materiale, "Siger Venderbos.

Elektroner i materialer som metaller og halvledere kan kun fylde visse energiniveauer, eller bands, med udelukket, eller forbudt, energiniveauer omtalt som en båndgap. I en superleder, dette kaldes også det superledende hul. Normalt, det tager energi udefra for at løfte en elektron med lavere energi til et højere energiniveau, især når det skal krydse en bandgap. Fu -gruppernes analyse af praseodym, osmium, og antimon afslører, at der er nogle særlige punkter i dets elektroniske excitationsspektrum, hvor båndgabet forsvinder i sin superledende tilstand, hvilket betyder, at lavenergi -excitationer er mulige. "Hvor lav energi du end tager, der vil altid være ophidselse ved denne energi. Disse ophidselser er præcis disse Majorana fermioner, vi talte om, "Forklarer Kozii. Venderbos tilføjer, "Der er nogle ophidselser, som du ikke behøver at tilføre energi eller bare en uendelig lille mængde, og du kan stadig skabe excitationen."

Bemærkede, at Fu tidligere har lavet "nogle fantastiske forudsigelser, "Princeton University professor i kemi Robert J. Cava, der ikke var involveret i denne forskning, foreslår:"Eksperimentelister bør lytte til, hvad han har at sige... Jeg er meget glad for at se, at han og hans kolleger har præsenteret en analyse af virkelige materialer, hvori deres ideer kan komme til udtryk."

Kozii, Venderbos, og Fu analyserede disse ukonventionelle superledere i et år. For Kozii, arbejdet bliver en del af hans doktorafhandling.

Forskerne håber, at deres arbejde vil inspirere eksperimentelle til igen at se på nogle tidligere undersøgte materialer for at identificere dem, der er vært for superledende stater med Majorana fermioner. "Jeg tror, ​​at det første skridt ville være bare at finde et materiale, hvor alle kan være enige om, at det har disse Majorana fermioner. Det ville være virkelig spændende og udgøre opdagelsen af ​​en ny type superleder i eksperiment, "Venderbos siger." Det næste trin ville være at tænke på funktionalisering af disse materialer, hvad kan være de specifikke applikationer. "At prøve at lave kvanteindretninger ud af disse materialer er en mulig retning." Vi håber, at denne forskning i sidste ende bringer tættere bestræbelser fra kvantemateriale- og kvanteudstyrssamfundet til at finde ud af de mange facetter af Majorana fermioner, "Tilføjer Fu.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.