Eksperiment finder bevis for Majorana fermion, en partikel, der er sin egen antipartikel

I 1928, fysikeren Paul Dirac forudsagde den forbløffende forudsigelse, at hver grundlæggende partikel i universet har en antipartikel - dens identiske tvilling, men med modsat ladning. Når partikler og antipartikler mødtes, ville de blive tilintetgjort, frigive et energiknald. Helt sikkert, et par år senere den første antimateriale partikel - elektronens modsatte, positronen - blev opdaget, og antimateriale blev hurtigt en del af populærkulturen.

Men i 1937, en anden strålende fysiker, Ettore Majorana, introducerede et nyt twist:Han forudsagde, at i klassen af ​​partikler kendt som fermioner, som inkluderer protonen, neutron, elektron, neutrino og kvark, der skulle være partikler, der er deres egne antipartikler.

Nu siger et team, der inkluderer forskere fra Stanford, at det har fundet det første faste bevis på en sådan Majorana fermion. Det blev opdaget i en række laboratorieforsøg på eksotiske materialer ved University of California i samarbejde med Stanford University. Det eksperimentelle team blev ledet af UCLA Professor Kang Wang, og præcise teoretiske forudsigelser blev lavet af Stanford Professor Shoucheng Zhangs gruppe, i samarbejde med eksperimentelle grupper ledet af lektor Jing Xia ved UC-Irvine og professor Kai Liu ved UC-Davis. Holdet rapporterede resultaterne 20. juli i Videnskab .

"Vores team forudsagde præcis, hvor de skulle finde Majorana fermion, og hvad de skulle kigge efter som dens 'rygende pistol' eksperimentelle signatur, "sagde Zhang, en teoretisk fysiker og en af ​​seniorforfatterne til forskningsartiklen. "Denne opdagelse afslutter en af ​​de mest intensive søgninger inden for grundlæggende fysik, som strækker sig over nøjagtigt 80 år. "

Selvom søgen efter den berømte fermion virker mere intellektuel end praktisk, han tilføjede, det kan have virkelige virkninger for at bygge robuste kvantecomputere, selvom dette ganske vist ligger langt ude i fremtiden.

Den særlige type Majorana fermion, forskergruppen observerede, er kendt som en "chiral" fermion, fordi den bevæger sig langs en endimensionel vej i kun en retning. Selvom de eksperimenter, der producerede det, var ekstremt vanskelige at forestille sig, opsætning og udførelse, signalet de frembragte var klart og utvetydigt, sagde forskerne.

"Denne forskning kulminerer en jagt i mange år for at finde chirale Majorana fermioner. Det vil være et vartegn på området, "sagde Tom Devereaux, direktør for Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ved SLAC National Accelerator Laboratory, hvor Zhang er hovedforsker.

"Det ser ud til at være en virkelig ren observation af noget nyt, "sagde Frank Wilczek, en teoretisk fysiker og nobelpristager ved Massachusetts Institute of Technology, der ikke var involveret i undersøgelsen. "Det er ikke grundlæggende overraskende, fordi fysikere længe har troet, at Majorana fermioner kunne opstå ud af de typer materialer, der blev brugt i dette eksperiment. Men de sammensatte flere elementer, der aldrig var blevet sammensat før, og konstruere ting, så denne nye slags kvantepartikel kan observeres i en ren, robust måde er en reel milepæl. "

Søg efter 'kvasepartikler'

Majoranas forudsigelse gjaldt kun for fermioner, der ikke har nogen afgift, som neutron og neutrino. Forskere har siden fundet en antipartikel til neutronen, men de har gode grunde til at tro, at neutrinoen kan være sin egen antipartikel, og der er fire forsøg i gang for at finde ud af-herunder EXO-200, den seneste inkarnation af det berigede Xenon -observatorium, i New Mexico. Men disse forsøg er ekstraordinært vanskelige og forventes ikke at give et svar i cirka et årti.

For cirka 10 år siden, videnskabsmænd indså, at Majorana fermioner også kunne blive skabt i eksperimenter, der udforsker materialets fysik - og løbet var ved at få det til at ske.

Det, de har ledt efter, er "kvasipartikler"-partikelignende excitationer, der opstår som følge af elektroners kollektive adfærd i superledende materialer, som leder elektricitet med 100 procent effektivitet. Processen, der giver anledning til disse kvasipartikler, ligner den måde, energi bliver til kortvarige "virtuelle" partikler og tilbage til energi igen i rumets vakuum, ifølge Einsteins berømte ligning E =mc2. Selvom kvasipartikler ikke ligner partiklerne i naturen, de ville ikke desto mindre blive betragtet som ægte Majorana fermioner.

I løbet af de sidste fem år har forskere har haft en vis succes med denne tilgang, rapporterede, at de havde set lovende Majorana fermion -underskrifter i forsøg med superledende nanotråde.

Men i disse tilfælde var kvasipartiklerne "bundet" - fastgjort til et bestemt sted, frem for at forplante sig i rum og tid - og det var svært at sige, om andre effekter bidrog til de signaler, forskere så, Sagde Zhang.

En 'rygende pistol'

I de seneste forsøg på UCLA, UC-Davis og UC-Irvine, holdet stablede tynde film af to kvantematerialer - en superleder og en magnetisk topologisk isolator - og sendte en elektrisk strøm gennem dem, alt inde i et kølet vakuumkammer.

Den øverste film var en superleder. Den nederste var en topologisk isolator, som kun leder strøm langs dens overflade eller kanter, men ikke gennem midten. Ved at sætte dem sammen skabte en superledende topologisk isolator, hvor elektroner lynes langs to kanter af materialets overflade uden modstand, som biler på en motorvej.

Det var Zhangs idé at justere den topologiske isolator ved at tilføje en lille mængde magnetisk materiale til det. Dette fik elektronerne til at flyde en vej langs den ene kant af overfladen og den modsatte vej langs den modsatte kant.

Derefter fejede forskerne en magnet over stakken. Dette gjorde strømmen af ​​elektroner langsom, stop og skift retning. Disse ændringer var ikke glatte, men fandt sted i pludselige trin, som identiske trapper i en trappe.

På visse punkter i denne cyklus, Majorana quasiparticles dukkede op, opstår parvis ud af det superledende lag og bevæger sig langs kanterne af den topologiske isolator, ligesom elektronerne gjorde. Et medlem af hvert par blev afbøjet ud af stien, giver forskerne mulighed for let at måle strømmen af ​​de enkelte kvasipartikler, der blev ved med at smede fremad. Ligesom elektronerne, de bremsede, stoppede og ændrede retning - men i trin præcis halvt så høje som dem, elektronerne tog.

Disse halvtrin var det rygende pistolbevis, forskerne havde ledt efter.

Resultaterne af disse forsøg vil sandsynligvis ikke have nogen effekt på bestræbelserne på at afgøre, om neutrinoen er dens egen antipartikel, sagde Stanford fysik professor Giorgio Gratta, der spillede en stor rolle i design og planlægning af EXO-200.

"De kvasipartikler, de observerede, er i det væsentlige excitationer i et materiale, der opfører sig som Majorana -partikler, "Gratta sagde." Men de er ikke elementære partikler, og de er fremstillet på en meget kunstig måde i et meget specielt forberedt materiale. Det er meget usandsynligt, at de forekommer ude i universet, selvom hvem er vi at sige? På den anden side, neutrinoer er overalt, og hvis det viser sig at være Majorana -partikler, ville vi vise, at naturen ikke kun har muliggjort denne slags partikler, men, faktisk, har bogstaveligt talt fyldt universet med dem. "

Han tilføjede, "Hvor det bliver mere interessant er, at analogier i fysik har vist sig meget kraftfulde. Og selvom de er meget forskellige dyr, forskellige processer, måske kan vi bruge det ene til at forstå det andet. Måske vil vi opdage noget, der er interessant for os, også."

Englepartikel

Langt frem i tiden, Zhang sagde, Majorana fermioner kunne bruges til at konstruere robuste kvantecomputere, der ikke kastes af miljøstøj, hvilket har været en stor hindring for deres udvikling. Da hver Majorana i det væsentlige er en halv subatomær partikel, en enkelt qubit information kunne lagres i to vidt adskilte Majorana fermioner, mindske chancen for, at noget kan forstyrre dem begge på én gang og få dem til at miste den information, de bærer.

For nu, han foreslår et navn til den chirale Majorana fermion, som hans team opdagede:"englepartiklen, "med henvisning til den bedst sælgende 2000-thriller Angels and Demons, hvor et hemmeligt broderskab planlægger at sprænge Vatikanet med en tidsbombe, hvis eksplosive kraft kommer fra tilintetgørelse af materie-antimateriale. I modsætning til i bogen, bemærkede han, i Majorana fermions kvanteverden er der kun engle - ingen dæmoner.