Οι μετρήσεις θερμικής ικανότητας αποκαλύπτουν φερμιόνια Majorana – Physics World

Οι μετρήσεις θερμικής ικανότητας αποκαλύπτουν φερμιόνια Majorana – Physics World

Χρονική σήμανση: 8 Απριλίου 2024 4:30 π.μ.

<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="Στο εργαστήριο Τα στοιχεία για τα φερμιόνια Majorana εμφανίστηκαν στη θερμοδυναμική συμπεριφορά ενός λεγόμενου μαγνήτη Kitaev. (Ευγενική παραχώρηση: T Shibauchi)”>
Φωτογραφία του Takasada Shibauchi στο εργαστήριό του κοιτάζοντας μια οθόνη δίπλα σε ένα μικροσκόπιο
Στο εργαστήριο Τα στοιχεία για τα φερμιόνια Majorana εμφανίστηκαν στη θερμοδυναμική συμπεριφορά ενός λεγόμενου μαγνήτη Kitaev. (Ευγενική προσφορά: T Shibauchi)

Ερευνητές στην Ιαπωνία και την Κορέα ισχυρίζονται ότι έχουν βρει «αποφασιστικά στοιχεία» για την ύπαρξη θεωρητικά προτεινόμενων σωματιδίων που ονομάζονται φερμιόνια Majorana. Τα στοιχεία για αυτά τα πολυπόθητα σωματίδια εμφανίστηκαν στη θερμοδυναμική συμπεριφορά ενός λεγόμενου μαγνήτη Kitaev και οι ερευνητές λένε ότι οι παρατηρήσεις τους δεν μπορούν να εξηγηθούν με εναλλακτικές θεωρίες.

Τα φερμιόνια Majorana πήραν το όνομά τους από τον Ιταλό φυσικό Ettore Majorana, ο οποίος προέβλεψε την ύπαρξή τους το 1937. Αυτά τα σωματίδια είναι ασυνήθιστα στο ότι είναι τα δικά τους αντισωματίδια, και στις αρχές της δεκαετίας του 2000, ο θεωρητικός φυσικός Αλεξέι Κιτάεφ προέβλεψε ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν με τη μορφή οιονεί σωματιδίων που αποτελούνται από δύο ζεύγη ηλεκτρονίων.

Αυτά τα οιονεί σωματίδια είναι γνωστά ως μη-Αβελιανά ανώνια και ένα από τα κύρια έλξη τους είναι ότι είναι ανθεκτικά σε εξωτερικές διαταραχές. Συγκεκριμένα, ο Kitaev έδειξε ότι, εάν χρησιμοποιηθούν ως κβαντικά bit (ή qubits), ορισμένες καταστάσεις θα ήταν «τοπολογικά προστατευμένες», που σημαίνει ότι δεν μπορούν να αναστραφούν τυχαία από εξωτερικό θόρυβο. Αυτό είναι σημαντικό γιατί τέτοιες διαταραχές είναι ένα από τα κύρια εμπόδια για την κατασκευή ενός πρακτικού, ανθεκτικού στα σφάλματα κβαντικού υπολογιστή.

Ο Kitaev πρότεινε αργότερα ότι αυτές οι καταστάσεις Majorana θα μπορούσαν να κατασκευαστούν ως καταστάσεις ηλεκτρονικών ελαττωμάτων που εμφανίζονται στα άκρα των κβαντικών νανοσυρμάτων που κατασκευάζονται από έναν ημιαγωγό που βρίσκεται κοντά σε έναν υπεραγωγό. Ως εκ τούτου, πολλές μεταγενέστερες εργασίες επικεντρώθηκαν στην αναζήτηση της συμπεριφοράς Majorana σε ετεροδομές ημιαγωγών-υπεραγωγών.

Μια διαφορετική προσέγγιση

Στην τελευταία μελέτη, οι ερευνητές με επικεφαλής τον Takasada Shibauchi του Τμήμα Προηγμένης Επιστήμης Υλικών στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο, Ιαπωνία, μαζί με συναδέλφους στο Κορέα Σύνθετο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας (KAIST), ακολούθησε διαφορετική προσέγγιση. Η δουλειά τους επικεντρώνεται σε ένα υλικό που ονομάζεται α-RuCl3, που είναι ένας πιθανός «ξενιστής» για τα φερμιόνια Majorana επειδή μπορεί να ανήκει σε μια κατηγορία υλικών γνωστών ως υγρά περιστροφής Kitaev (KSLs).

Αυτά τα υλικά είναι από μόνα τους ένας υποτύπος υγρών κβαντικής σπιν – στερεά μαγνητικά υλικά που δεν μπορούν να τακτοποιήσουν τις μαγνητικές ροπές (ή περιστροφές) τους σε ένα κανονικό και σταθερό σχέδιο. Αυτή η «απογοητευμένη» συμπεριφορά είναι πολύ διαφορετική από αυτή των συνηθισμένων σιδηρομαγνητών ή αντισιδηρομαγνητών, που έχουν περιστροφές που δείχνουν προς τις ίδιες ή εναλλασσόμενες κατευθύνσεις, αντίστοιχα. Στα QSL, οι περιστροφές αλλάζουν συνεχώς κατεύθυνση με τρόπο που μοιάζει με υγρό, ακόμη και σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.

Για να πληροί τις προϋποθέσεις ως KSL, ένα υλικό πρέπει να έχει ένα τέλειο (ακριβώς επιλύσιμο) δισδιάστατο πλέγμα σε σχήμα κηρήθρας και οι περιστροφές μέσα σε αυτό το πλέγμα πρέπει να συνδέονται μέσω ασυνήθιστων αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής (τύπου Ising). Τέτοιες αλληλεπιδράσεις είναι υπεύθυνες για τις μαγνητικές ιδιότητες καθημερινών υλικών όπως ο σίδηρος, και συμβαίνουν μεταξύ ζευγών πανομοιότυπων σωματιδίων όπως τα ηλεκτρόνια – με αποτέλεσμα να εμποδίζουν τα σπιν γειτονικών σωματιδίων να δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση. Λέγεται λοιπόν ότι τα KSL υποφέρουν από απογοήτευση «σύζευξης ανταλλαγής».

Σε α-RuCl3, η οποία έχει πολυεπίπεδη κυψελοειδή δομή, κάθε Ru3+ Το ιόν (με αποτελεσματικό σπιν -1/2) έχει τρεις δεσμούς. Ο Shibauchi και οι συνεργάτες του εξηγούν ότι η ακύρωση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των δύο συντομότερων μονοπατιών Ru-Cl-Ru 90° οδηγεί σε αλληλεπιδράσεις Ising με τον άξονα περιστροφής κάθετο στο επίπεδο που περιλαμβάνει αυτές τις δύο διαδρομές.

“Το σήμα κατατεθέν των ενθουσιασμών της Majorana”

Στα πειράματά τους, οι ερευνητές μέτρησαν τη θερμοχωρητικότητα ενός μόνο κρυστάλλου α-RuCl3 χρησιμοποιώντας μια προηγμένη ρύθμιση υψηλής ανάλυσης. Αυτή η διάταξη περιέχονταν σε ένα ψυγείο αραίωσης εξοπλισμένο με έναν πιεζοηλεκτρικό στροφέα δύο αξόνων και έναν υπεραγώγιμο μαγνήτη που εφαρμόζει ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στο κυψελωτό επίπεδο του δείγματος. Αυτές οι μετρήσεις αποκάλυψαν έναν τοπολογικό τρόπο ακμής στο υλικό με μια πολύ περίεργη εξάρτηση από τη γωνία του μαγνητικού πεδίου. Συγκεκριμένα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, η θερμοχωρητικότητα του υλικού (μια θερμοδυναμική ποσότητα) εμφανίζει διεγέρσεις χωρίς κενά που αλλάζουν σε κενά όταν η γωνία του μαγνητικού πεδίου κλίνει κατά λίγες μόνο μοίρες. Αυτή η εξάρτηση από τη γωνία πεδίου είναι, λένε, χαρακτηριστική των διεγέρσεων των οιονεί σωματιδίων Majorana.

«Αυτό είναι το χαρακτηριστικό των διεγέρσεων της Majorana που αναμένονται στην υγρή κατάσταση περιστροφής, η οποία διατυπώθηκε θεωρητικά από τον Kitaev το 2006», λέει ο Shibauchi. Κόσμος Φυσικής. «Πιστεύουμε ότι αυτό δεν μπορεί να εξηγηθεί με εναλλακτικές εικόνες και επομένως παρέχει πειστικές αποδείξεις για αυτούς τους ενθουσιασμούς».

Ο Shibauchi αναγνωρίζει ότι τα προηγούμενα αποτελέσματα τέτοιων μετρήσεων ήταν αμφιλεγόμενα επειδή οι ερευνητές δυσκολεύτηκαν να καταλάβουν εάν εμφανίστηκε ένα φαινόμενο γνωστό ως μισό ακέραιο κβαντικό φαινόμενο Hall - μια υπογραφή του τρόπου ακμής Majorana - ή όχι. Ενώ ορισμένα δείγματα έδειξαν την επίδραση, άλλα όχι, με αποτέλεσμα πολλοί να πιστεύουν ότι ένα διαφορετικό φαινόμενο μπορεί να ευθύνεται. Ωστόσο, ο Shibauchi λέει ότι η νέα προσέγγιση της ομάδας, που εστιάζει στο χαρακτηριστικό κλεισίματος κενού που εξαρτάται από τη γωνία που είναι ειδικά για τις διεγέρσεις της Majorana, «αντιμετωπίζει αυτές τις προκλήσεις».

Μακρύς δρόμος ακόμα

Σύμφωνα με τους ερευνητές, τα νέα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα φερμιόνια Majorana μπορούν να διεγερθούν σε υγρή κατάσταση περιστροφής ενός μαγνητικού μονωτή. «Εάν μπορεί κανείς να βρει έναν τρόπο να χειριστεί αυτά τα νέα οιονεί σωματίδια (που δεν θα είναι εύκολη υπόθεση, ειπώθηκε), τοπολογικοί κβαντικοί υπολογισμοί με ανοχή σε σφάλματα μπορεί να πραγματοποιηθούν στο μέλλον», λέει ο Shibauchi.

Στην εργασία τους, η οποία περιγράφεται αναλυτικά στο Προκαταβολές Επιστήμη, οι ερευνητές χρειάστηκε να εφαρμόσουν ένα σχετικά υψηλό μαγνητικό πεδίο για να επιτύχουν την υγρή κατάσταση περιστροφής Kitaev που φιλοξενεί τη συμπεριφορά Majorana. Τώρα αναζητούν εναλλακτικά υλικά στα οποία η κατάσταση Majorana μπορεί να εμφανιστεί σε χαμηλότερα, ή ακόμα και μηδενικά, πεδία. Εμίλιο Κομπανέρα, φυσικός στο Πολυτεχνικό Ινστιτούτο SUNY στη Νέα Υόρκη που δεν συμμετείχε στη μελέτη, συμφωνεί ότι τέτοια υλικά είναι δυνατά.

«Χάρη στο ντετέκτιβ του Shibauchi και των συναδέλφων του, μπορούμε να προσθέσουμε στη λίστα τα επίπεδα της σταθερής φάσης του RuCl3 με αυτοπεποίθηση, και ίσως επιτέλους αναπτύσσουμε τις πειραματικές τεχνικές και την εφευρετικότητα για να αποκαλύψουμε οποιονδήποτε σε πολλά άλλα υλικά», λέει. «Στη δουλειά της, η ομάδα έπρεπε να διαφοροποιήσει δύο εξωτικά σενάρια: τη φυσική του μοντέλου κηρήθρας Kitaev από τη μια πλευρά, ένα ακριβώς επιλύσιμο μοντέλο οποιουδήποτε άλλου και ένα άλλο κομμάτι νέας φυσικής, μάγκον που σχετίζονται με τοπολογικά μη τετριμμένες δομές ζωνών. ”

Ο Cobanera επισημαίνει ότι, όπως σημειώνουν οι ίδιοι ο Shibauchi και οι συνεργάτες του, αυτά τα δύο σενάρια θα έδιναν πολύ διαφορετικές προβλέψεις για τη συμπεριφορά της θερμικής αγωγιμότητας Hall υπό αλλαγές στην κατεύθυνση ενός εφαρμοσμένου, εντός επιπέδου μαγνητικού πεδίου. Ως εκ τούτου, ακολούθησαν αυτήν την παρατήρηση με υπερσύγχρονες μεσοσκοπικές θερμικές μετρήσεις που, λέει ο Cobanera, είναι σαφώς ασυνεπείς με μια μαγνητική εξήγηση και υποστηρίζουν ημι-ποσοτικά το σενάριο με οποιοδήποτε άλλο.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής