Tilfældet med den undvigende Majorana:Den såkaldte englepartikel er stadig et mysterium

En rapport fra 2017 om opdagelsen af ​​en bestemt slags Majorana fermion - den chirale Majorana fermion, kaldet "englepartiklen" - er sandsynligvis en falsk alarm, ifølge ny forskning. Majorana fermioner er gådefulde partikler, der fungerer som deres egen antipartikel og først blev antaget at eksistere i 1937. De er af enorm interesse for fysikere, fordi deres unikke egenskaber kunne tillade dem at blive brugt i konstruktionen af ​​en topologisk kvantecomputer.

Et team af fysikere ved Penn State og University of Wurzburg i Tyskland ledet af Cui-Zu Chang, en adjunkt i fysik ved Penn State studerede over tre dusin enheder svarende til den, der blev brugt til at producere englepartiklen i 2017 -rapporten. De fandt ud af, at det træk, der blev påstået at være en manifestation af englepartiklen, sandsynligvis ikke ville være forårsaget af eksistensen af ​​englepartiklen. Et papir, der beskriver forskningen, vises den 3. januar, 2020 i journalen Videnskab .

"Da den italienske fysiker Ettore Majorana forudsagde muligheden for en ny grundpartikel, som er dens egen antipartikel, lidt kunne han have forestillet sig de langvarige konsekvenser af hans fantasifulde idé, "sagde Nitin Samarth, Afdelingsleder i Downsbrough og professor i fysik i Penn State. "Over 80 år efter Majoranas forudsigelse, fysikere fortsætter med at aktivt søge efter signaturer af den stadig undvigende "Majorana fermion" i forskellige hjørner af universet. "

I en sådan indsats, partikelfysikere bruger underjordiske observatorier, der søger at bevise, om den spøgelseslignende partikel kendt som neutrinoen-en subatomær partikel, der sjældent interagerer med stof-kan være en Majorana fermion. På en helt anden front, kondenseret fysik søger at opdage manifestationer af Majorana -fysik i solid state -enheder, der kombinerer eksotiske kvantematerialer med superledere. I sådanne enheder, elektroner teoretiseres til at klæde sig som Majorana fermioner ved at sy et stof sammen baseret på kerneaspekter af kvantemekanik, relativistisk fysik, og topologi. Denne analoge version af Majorana fermioner har især fanget opmærksomheden hos kondenserede fysikere, fordi den kan udgøre en vej til konstruktion af en "topologisk kvantecomputer", hvis qubits (kvanteversioner af binære 0'er og 1'er) er iboende beskyttet mod miljømæssig dekoherens - tab af information, der opstår, når et kvantesystem ikke er perfekt isoleret og en stor hindring i udviklingen af ​​kvantecomputere.

"Et vigtigt første skridt mod denne fjerne drøm om at skabe en topologisk kvantecomputer er at demonstrere endelige eksperimentelle beviser for eksistensen af ​​Majorana fermioner i kondenseret stof, "sagde Chang." I løbet af de sidste syv år har flere forsøg har hævdet at vise sådanne beviser, men fortolkningen af ​​disse eksperimenter diskuteres stadig. "

Teamet undersøgte enheder fremstillet af et kvantemateriale kendt som en "kvanteafvigelig Hall -isolator", hvor den elektriske strøm kun strømmer ved kanten. En nylig undersøgelse forudsagde, at når kantstrømmen er i ren kontakt med en superleder, udbredende chirale Majorana Fermions oprettes, og apparatets elektriske ledningsevne skal være "halvkvantiseret" (en værdi på e2/2h, hvor "e" er elektronladningen og "h" er Planck-konstant), når det udsættes for et præcist magnetfelt. Penn State-Wurzburg-teamet undersøgte over tre dusin enheder med flere forskellige materialekonfigurationer og fandt ud af, at enheder med en ren superledende kontakt altid viser den halvt kvantiserede værdi uanset magnetfeltforhold. Dette sker, fordi superlederen fungerer som en elektrisk kortslutning og dermed ikke er tegn på tilstedeværelsen af ​​Majorana fermion.

"Det faktum, at to laboratorier - i Penn State og i Wurzburg - fandt fuldstændige konsistente resultater ved hjælp af en lang række forskellige konfigurationer, giver alvorlig tvivl om gyldigheden af ​​den teoretisk foreslåede eksperimentelle geometri og sætter spørgsmålstegn ved påstanden fra 2017 om at observere englepartiklen, "sagde Moses Chan, Selv Pugh professor emeritus i fysik i Penn State.

"Jeg er stadig optimistisk over, at kombinationen af ​​kvanteafvigelige Hall -isolatorer og superledning er en attraktiv ordning for at realisere chirale Majoranas, "sagde Morteza Kayyalha, en postdoktoral forskningsassistent i Penn State, der udførte apparatets fremstilling og målinger. "Men vores teoretikerkolleger er nødt til at gentænke enhedens geometri."

"Dette er en glimrende illustration af, hvordan videnskab skal fungere, "sagde Samarth." Ekstraordinære påstande om opdagelse skal omhyggeligt undersøges og gengives. Alle vores postdocs og studerende arbejdede virkelig hårdt for at sikre, at de udførte meget strenge test af tidligere påstande. Vi sørger også for, at alle vores data og metoder deles gennemsigtigt med fællesskabet, så vores resultater kan evalueres kritisk af interesserede kolleger. "