Varmekapacitetsmålinger afslører Majorana-fermioner – Physics World

Varmekapacitetsmålinger afslører Majorana-fermioner – Physics World

Tidsstempel: 8. april 2024 kl. 4

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/heat-capacity-measurements-reveal-majorana-fermions-physics-world-2.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/heat-capacity-measurements-reveal-majorana-fermions-physics-world-2.jpg" data-caption="I laboratoriet Beviset for Majorana-fermioner dukkede op i den termodynamiske opførsel af en såkaldt Kitaev-magnet. (Med høflighed: T Shibauchi)">
Foto af Takasada Shibauchi i sit laboratorium og ser på en skærm ved siden af ​​et mikroskop
I laboratoriet Beviset for Majorana-fermioner dukkede op i den termodynamiske opførsel af en såkaldt Kitaev-magnet. (Med høflighed: T Shibauchi)

Forskere i Japan og Korea hævder at have fundet "afgørende beviser" for eksistensen af ​​teoretisk foreslåede partikler kaldet Majorana-fermioner. Beviset for disse længe eftertragtede partikler dukkede op i den termodynamiske opførsel af en såkaldt Kitaev-magnet, og forskerne siger, at deres observationer ikke kan forklares med alternative teorier.

Majorana-fermioner er opkaldt efter den italienske fysiker Ettore Majorana, som forudsagde deres eksistens i 1937. Disse partikler er usædvanlige, idet de er deres egne antipartikler, og i begyndelsen af ​​2000'erne den teoretiske fysiker Alexei Kitaev forudsagde, at de kunne eksistere i form af kvasipartikler bestående af to parrede elektroner.

Disse kvasipartikler er kendt som ikke-abiske anyoner, og en af ​​deres hovedattraktioner er, at de er robuste over for ydre forstyrrelser. Specifikt viste Kitaev, at hvis de blev brugt som kvantebits (eller qubits), ville visse tilstande være "topologisk beskyttet", hvilket betyder, at de ikke kan vendes tilfældigt af ekstern støj. Dette er vigtigt, fordi sådanne forstyrrelser er en af ​​de vigtigste anstødssten for at lave en praktisk, fejlbestandig kvantecomputer.

Kitaev foreslog senere, at disse Majorana-tilstande kunne konstrueres som elektroniske defekttilstande, der opstår i enderne af kvante nanotråde lavet af en halvleder placeret nær en superleder. Meget efterfølgende arbejde har derfor fokuseret på at lede efter Majorana-adfærd i halvleder-superleder-heterostrukturer.

En anden tilgang

I den seneste undersøgelse har forskere ledet af Takasada Shibauchi af Institut for avanceret materialevidenskab ved University of Tokyo, Japan, sammen med kolleger på Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), tog en anden tilgang. Deres arbejde fokuserer på et materiale kaldet α-RuCl3, som er en potentiel "vært" for Majorana-fermioner, fordi den kan tilhøre en klasse af materialer kendt som Kitaev-spinvæsker (KSL'er).

Disse materialer er i sig selv en undertype af kvantespinvæsker - faste magnetiske materialer, der ikke kan arrangere deres magnetiske momenter (eller spins) i et regelmæssigt og stabilt mønster. Denne "frustrerede" adfærd er meget forskellig fra den for almindelige ferromagneter eller antiferromagneter, som har spins, der peger i henholdsvis samme eller skiftende retninger. I QSL'er ændrer spinsene konstant retning på en væskelignende måde, selv ved ultrakolde temperaturer.

For at kvalificere sig som en KSL skal et materiale have et perfekt (præcis opløseligt) todimensionelt honeycomb-formet gitter, og spins inden for dette gitter skal kobles via usædvanlige (Ising-type) udvekslingsinteraktioner. Sådanne vekselvirkninger er ansvarlige for de magnetiske egenskaber af hverdagsmaterialer såsom jern, og de forekommer mellem par af identiske partikler såsom elektroner - med den virkning at forhindre spin af nabopartikler i at pege i samme retning. KSL'er siges således at lide af "udvekslingskobling"-frustration.

I a-RuCl3, som har en lagdelt honningkagestruktur, hver Ru3+ ion (med et effektivt spin på -1/2) har tre bindinger. Shibauchi og kolleger forklarer, at en annullering af interaktioner mellem de to korteste Ru-Cl-Ru 90°-baner fører til Ising-interaktioner med spinaksen vinkelret på det plan, der inkluderer disse to baner.

"Kærtegnende for Majorana-excitationer"

I deres eksperimenter målte forskerne varmekapaciteten af ​​en enkelt krystal af α-RuCl3 ved hjælp af en state-of-the-art højopløsningsopsætning. Denne opsætning var indeholdt i et fortyndingskøleskab udstyret med en piezo-baseret to-akset rotator og en superledende magnet, der påfører et roterende magnetfelt på prøvens bikageplan. Disse målinger afslørede en topologisk kanttilstand i materialet med en meget ejendommelig afhængighed af magnetfeltvinklen. Specifikt fandt forskerne ud af, at ved meget lave temperaturer viser materialets varmekapacitet (en termodynamisk størrelse) spalteløse excitationer, der ændrer sig til gappede, når magnetfeltets vinkel vippes med blot et par grader. Denne afhængighed af feltvinklen er, siger de, karakteristisk for Majorana kvasipartikel excitationer.

"Dette er kendetegnet ved Majorana-excitationer, der forventes i den flydende spin-tilstand, som teoretisk blev formuleret af Kitaev i 2006," fortæller Shibauchi Fysik verden. "Vi mener, at dette ikke kan forklares alternative billeder og giver således afgørende beviser for disse excitationer."

Shibauchi erkender, at tidligere resultater af sådanne målinger har været kontroversielle, fordi forskere fandt det svært at sige, om et fænomen kendt som halvheltals kvante Hall-effekten - en signatur af Majorana-kanttilstanden - dukkede op eller ej. Mens nogle prøver viste effekten, gjorde andre det ikke, hvilket fik mange til at tro, at et andet fænomen kan være ansvarlig. Shibauchi siger dog, at holdets nye tilgang, der fokuserer på den vinkelafhængige spaltelukningsfunktion, der er specifik for Majorana-excitationer, "adresserer disse udfordringer".

Stadig lang vej frem

Ifølge forskerne viser de nye resultater, at Majorana-fermioner kan exciteres i en spin-flydende tilstand af en magnetisk isolator. "Hvis man kan finde en måde at manipulere disse nye kvasipartikler (hvilket ikke vil være en let opgave, når det er sagt), kan fejltolerante topologiske kvanteberegninger blive realiseret i fremtiden," siger Shibauchi.

I deres arbejde, som er detaljeret i Science Forskud, var forskerne nødt til at anvende et relativt højt magnetfelt for at opnå Kitaev-spinvæsketilstanden, der er vært for Majorana-adfærden. De leder nu efter alternative materialer, hvor Majorana-staten kan forekomme ved lavere eller endda nul felter. Emilio Cobanera, en fysiker ved SUNY Polytechnic Institute i New York som ikke var involveret i undersøgelsen, er enig i, at sådanne materialer er mulige.

"Takket være Shibauchis og kollegers detektivarbejde kan vi tilføje lagene i den stabile fase af RuCl til listen3 med tillid, og måske er vi endelig ved at udvikle de eksperimentelle teknikker og opfindsomhed til at afsløre nogen i mange andre materialer,” siger han. "I deres arbejde var holdet nødt til at skelne mellem to eksotiske scenarier: Fysikken i Kitaev honeycomb-modellen på den ene side, en nøjagtigt opløselig model af anyoner og et andet stykke ny fysik, magnoner forbundet med topologisk ikke-trivielle båndstrukturer. ”

Cobanera påpeger, at som Shibauchi og kolleger selv bemærker, ville disse to scenarier give meget forskellige forudsigelser for opførselen af ​​den termiske Hall-konduktans under ændringer i retning af et påført magnetfelt i planet. De fulgte derfor denne observation med state-of-the-art mesoskopiske termiske målinger, der, siger Cobanera, klart er uforenelige med en storslået forklaring og understøtter semi-kvantitativt scenariet med anyons.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden