Nye målinger afslører tegn på undvigende partikler i en nyopdaget superleder

Partikeljagt - det er et spil, som så mange fysikere spiller. Nogle gange finder jagten sted inde i store supercolliders, hvor spektakulære kollisioner er nødvendige for at finde skjulte partikler og ny fysik. For fysikere, der studerer faste stoffer, spillet forekommer i et meget anderledes miljø, og de efterspurgte partikler kommer ikke fra rasende kollisioner. I stedet, partikelignende enheder, kaldet kvasipartikler, komme ud af komplicerede elektroniske interaktioner, der sker dybt inde i et materiale. Nogle gange er kvasipartiklerne lette at undersøge, men andre er sværere at få øje på, lurer lige uden for rækkevidde.

Nye målinger viser tegn på tilstedeværelsen af ​​eksotiske Majorana -partikler på overfladen af ​​en ukonventionel superleder, Uran ditellurid. Grafik leveret af Dr. E. Edwards, Administrerende direktør for Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST).

Nu er et team af forskere ved University of Illinois, ledet af fysiker Vidya Madhavan, i samarbejde med forskere fra National Institute of Standards and Technology, University of Maryland, Boston College, og ETH Zürich, har brugt mikroskopiværktøjer i høj opløsning til at kigge på det indre arbejde i en usædvanlig type superleder, uran ditellurid (UTe ₂ ). Deres målinger afslører stærke beviser for, at dette materiale kan være et naturligt hjemsted for en eksotisk kvasipartikel, der har skjult sig for fysikere i årtier. Undersøgelsen er offentliggjort i 26. marts -udgaven af Natur .

De pågældende partikler blev teoretiseret tilbage i 1937 af en italiensk fysiker ved navn Ettore Majorana, og siden da, fysikere har forsøgt at bevise, at de kan eksistere. Forskere mener, at en bestemt klasse af materialer kaldet chirale ukonventionelle superledere naturligvis kan være vært for Majoranas. UTe ₂ kan have alle de rigtige egenskaber til at gyde disse undvigende kvasipartikler.

"Vi kender fysikken i konventionelle superledere og forstår, hvordan de kan lede elektricitet eller transportere elektroner fra den ene ende af en ledning til den anden uden modstand, "sagde Madhavan." Kirale ukonventionelle superledere er meget sjældnere, og fysikken er mindre kendt. At forstå dem er vigtigt for grundlæggende fysik og har potentielle anvendelser inden for kvanteberegning, " hun sagde.

Inde i en normal superleder, elektronerne parrer sig på en måde, der muliggør de tabsløse, vedvarende strømme. Dette er i modsætning til en normal leder, som kobbertråd, som varmes op, når strømmen passerer igennem den. En del af teorien bag superledelse blev formuleret for årtier siden af ​​tre forskere ved U of I, der tjente en nobelpris i fysik for deres arbejde. For denne konventionelle form for superledning, magnetfelter er fjenden og bryder parrene, at materialet vender tilbage til det normale. I løbet af det sidste år, forskere viste, at uran ditellurid opfører sig anderledes.

I 2019, Sheng Ran, Nicholas Butch (begge medforfattere til denne undersøgelse) og deres samarbejdspartnere meddelte, at UTe ₂ forbliver superledende i nærvær af magnetfelter op til 65 Tesla, hvilket er omkring 10, 000 gange stærkere end en køleskabsmagnet. Denne utraditionelle adfærd, kombineret med andre målinger, førte forfatterne til dette papir til at formode, at elektronerne parrede sig på en usædvanlig måde, der gjorde dem i stand til at modstå brud. Parringen er vigtig, fordi superledere med denne egenskab meget sandsynligt kan have Majorana -partikler på overfladen. Den nye undersøgelse fra Madhavan og samarbejdspartnere styrker sagen hertil.

Teamet brugte et mikroskop med høj opløsning kaldet et scanningstunnelmikroskop for at lede efter tegn på den usædvanlige elektronparring og Majorana-partikler. Dette mikroskop kan ikke kun kortlægge overfladen af ​​uran ditellurid ned til atomeniveauet, men også undersøge, hvad der sker med elektronerne. Selve materialet er sølvfarvet med trin, der stikker op fra overfladen. Disse trinfunktioner er, hvor beviser for Majorana quasiparticles bedst ses. De giver en ren kant, der, hvis forudsigelser er korrekte, skal vise signaturer af en kontinuerlig strøm, der bevæger sig i en retning, selv uden spænding. Holdet scannede modsatte sider af trin og så et signal med en top. Men toppen var anderledes, afhængigt af hvilken side af trinnet der blev scannet.

"Når man ser på begge sider af trin, du ser et signal, der er et spejlbillede af hinanden. I en normal superleder, du kan ikke finde det, "sagde Madhavan." Den bedste forklaring på at se spejlbillederne er, at vi direkte måler tilstedeværelsen af ​​bevægelige Majorana -partikler, "sagde Madhavan. Teamet siger, at målingerne indikerer, at fritgående Majorana-kvasepartikler cirkulerer sammen i en retning, giver anledning til spejlet, eller kiral, signaler.

Madhavan siger, at det næste trin er at foretage målinger, der bekræfter, at materialet har brudt tids-reverseringssymmetri. Det betyder, at partiklerne skulle bevæge sig anderledes, hvis tidspilen teoretisk blev vendt. En sådan undersøgelse ville give yderligere bevis for UTes kirale karakter ₂ .

Hvis bekræftet, uran ditellurid ville være det eneste materiale, andet end superfluid He-3, vist sig at være en kiral ukonventionel superleder. "Dette er en enorm opdagelse, der giver os mulighed for at forstå denne sjældne form for superledning, og måske, i tide, vi kunne endda manipulere Majorana -kvasipartikler på en nyttig måde til kvanteinformationsvidenskab. "