Neutroner nulstiller på den undvigende magnetiske Majorana fermion

Neutronspredning har afsløret i hidtil uset detalje ny indsigt i den eksotiske magnetiske adfærd af et materiale, der, med en større forståelse, kunne bane vejen for kvanteberegninger langt ud over grænserne for dem og nuller for en computers binære kode.

Et forskerhold ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har bekræftet magnetiske signaturer, der sandsynligvis er relateret til Majorana fermions - undvigende partikler, der kunne være grundlaget for en kvantebit, eller qubit, i et todimensionalt grafenlignende materiale, alfa-rutheniumtrichlorid. Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Videnskab , verificere og forlænge et 2016 Naturmaterialer undersøgelse, hvor teamet af forskere fra ORNL, University of Tennessee, Max Planck Institute og Cambridge University foreslog først denne usædvanlige adfærd i materialet.

"Denne forskning er et løfte, "sagde hovedforfatter Arnab Banerjee, en postdoktor ved ORNL. "Før, vi foreslog, at denne forbindelse, alfa-rutheniumtrichlorid, viste fysikken i Majorana fermioner, men det materiale, vi brugte, var et pulver og skjulte mange vigtige detaljer. Nu, vi ser på en stor enkelt krystal, der bekræfter, at det usædvanlige magnetiske spektrum er i overensstemmelse med ideen om magnetiske Majorana fermioner. "

Majorana fermioner blev teoretiseret i 1937 af fysikeren Ettore Majorana. De er unikke i det, i modsætning til elektroner og protoner, hvis modpartikler er positron og antiproton, partikler med lige, men modsatte ladninger, Majorana fermioner er deres egen antipartikel og har ingen beregning.

I 2006, fysiker Alexei Kitaev udviklede en opløselig teoretisk model, der beskriver, hvordan topologisk beskyttede kvanteberegninger kunne opnås i et materiale ved hjælp af kvante -spin -væsker, eller QSL'er. QSL'er er mærkelige tilstande opnået i faste materialer, hvor de magnetiske øjeblikke, eller "spins, "forbundet med elektroner udviser en væskelignende adfærd.

"Vores neutronspredningsmålinger viser os klare signaturer af magnetiske excitationer, der meget ligner modellen af ​​Kitaev QSL, "sagde den tilsvarende forfatter Steve Nagler, direktør for Quantum Condensed Matter Division på ORNL. "Forbedringerne i de nye målinger er som at se på Saturn gennem et teleskop og opdage ringene for første gang."

Fordi neutroner er mikroskopiske magneter, der ikke bærer nogen ladning, de kan bruges til at interagere med og ophidse andre magnetiske partikler i systemet uden at gå på kompromis med integriteten af ​​materialets atomstruktur. Neutroner kan måle det magnetiske spektrum af excitationer, afslører hvordan partikler opfører sig. Holdet afkølede materialet til temperaturer nær absolut nul (ca. minus 450 grader Fahrenheit) for at tillade en direkte observation af rent kvantebevægelser.

Ved hjælp af SEQUOIA -instrumentet ved ORNL's Spallation Neutron Source gav efterforskerne mulighed for at kortlægge et billede af krystalets magnetiske bevægelser i både rum og tid.

"Vi kan se det magnetiske spektrum, der manifesterer sig i form af en sekspidset stjerne, og hvordan det afspejler materialets underliggende bikage-gitter, "sagde Banerjee." Hvis vi kan forstå disse magnetiske excitationer i detaljer, vil vi være et skridt tættere på at finde et materiale, der ville gøre os i stand til at forfølge den ultimative drøm om kvanteberegninger. "

Banerjee og hans kolleger forfølger yderligere eksperimenter med anvendte magnetfelter og varierende tryk.

"Vi har anvendt en meget kraftig måleteknik for at få disse udsøgte visualiseringer, der giver os mulighed for direkte at se materialets kvantetype, "sagde medforfatter Alan Tennant, chefforsker for ORNL's Neutron Sciences Directorate. "En del af spændingen ved eksperimenterne er, at de leder teorien. Vi ser disse ting, og vi ved, at de er ægte. "