Soojusmahtuvuse mõõtmised paljastavad Majorana fermionid – Physics World

<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="Laboris Tõendid Majorana fermioonide kohta ilmnesid niinimetatud Kitaevi magneti termodünaamilises käitumises. (Viisakalt: T Shibauchi)”>

Jaapani ja Korea teadlased väidavad, et on leidnud "veenduvaid tõendeid" teoreetiliselt välja pakutud osakeste, mida nimetatakse Majorana fermionideks, olemasolu kohta. Tõendid nende kauaotsitud osakeste kohta ilmnesid nn Kitaevi magneti termodünaamilises käitumises ja teadlaste sõnul ei saa nende tähelepanekuid seletada alternatiivsete teooriatega.

Majorana fermionid on oma nime saanud itaalia füüsiku Ettore Majorana järgi, kes ennustas nende olemasolu 1937. aastal. Need osakesed on ebatavalised selle poolest, et nad on nende endi antiosakesed, ja 2000. aastate alguses tegi teoreetiline füüsik. Aleksei Kitaev ennustas, et need võivad eksisteerida kahest paaritud elektronist koosnevate kvaasiosakeste kujul.

Neid kvaasiosakesi tuntakse mitte-Abeli ​​anyoonidena ja üks nende peamisi tõmbejõude on see, et nad on vastupidavad välistele häiretele. Täpsemalt näitas Kitaev, et kui neid kasutatakse kvantbittidena (või kubitidena), oleksid teatud olekud "topoloogiliselt kaitstud", mis tähendab, et välismüra ei saa neid juhuslikult ümber pöörata. See on oluline, sest sellised häired on üks peamisi komistuskivisid praktilise veakindla kvantarvuti valmistamisel.

Kitaev tegi hiljem ettepaneku, et need Majorana olekud võiksid olla konstrueeritud elektrooniliste defektide olekutena, mis esinevad ülijuhi lähedal asuvast pooljuhist valmistatud kvant-nanojuhtmete otstes. Seetõttu on suur osa hilisemast tööst keskendunud Majorana käitumise otsimisele pooljuht-ülijuhtide heterostruktuurides.

Erinev lähenemine

Viimases uuringus juhtisid teadlased Takasada Shibauchi Euroopa Tokyo ülikooli täiustatud materjaliteaduse osakond, Jaapan koos kolleegidega ettevõttest Korea täiustatud teaduse ja tehnoloogia instituut (KAIST), kasutas teistsugust lähenemist. Nende töö keskendub materjalile nimega α-RuCl₃, mis on Majorana fermionide potentsiaalne "peremees", kuna see võib kuuluda materjalide klassi, mida tuntakse Kitaevi pöörlevate vedelike (KSL) nime all.

Need materjalid on ise kvantpöörlevate vedelike alamtüüp – tahked magnetmaterjalid, mis ei suuda oma magnetmomente (või keerlemisi) korrapäraseks ja stabiilseks mustriks korraldada. See "pettunud" käitumine erineb oluliselt tavaliste ferromagnetite või antiferromagnetide käitumisest, mille spinnid osutavad vastavalt kas samas või vahelduvas suunas. QSL-ides muudavad spinnid pidevalt suunda vedelikusarnasel viisil, isegi ülikülmatel temperatuuridel.

KSL-iks kvalifitseerumiseks peab materjalil olema täiuslik (täpselt lahendatav) kahemõõtmeline kärgstruktuuri kujuline võre ja selles võres olevad spinnid peavad olema ühendatud ebatavaliste (Ising-tüüpi) vahetusinteraktsioonide kaudu. Sellised interaktsioonid vastutavad igapäevaste materjalide, näiteks raua, magnetiliste omaduste eest ja need tekivad identsete osakeste, näiteks elektronide paaride vahel, vältides naaberosakeste spinni samas suunas osutamist. Seega väidetakse, et KSL-id kannatavad "vahetuse sidumise" frustratsiooni all.

α-RuCl-s₃, millel on kihiline kärgstruktuuri, iga Ru³⁺ ioonil (efektiivse spinniga -1/2) on kolm sidet. Shibauchi ja tema kolleegid selgitavad, et interaktsioonide tühistamine kahe lühima Ru-Cl-Ru 90 ° tee vahel põhjustab Ising interaktsioone spinteljega, mis on risti neid kahte rada hõlmava tasapinnaga.

"Majorana ergastuste tunnus"

Oma katsetes mõõtsid teadlased α-RuCl monokristalli soojusmahtuvust₃ kasutades nüüdisaegset kõrglahutusega seadistust. See seade asus lahjenduskülmikus, mis oli varustatud piesopõhise kaheteljelise rotaatori ja ülijuhtiva magnetiga, mis rakendab proovi kärgstruktuuriga tasapinnale pöörlevat magnetvälja. Need mõõtmised näitasid materjalis topoloogilist servarežiimi, millel on väga omapärane sõltuvus magnetvälja nurgast. Täpsemalt avastasid teadlased, et väga madalatel temperatuuridel näitab materjali soojusmahtuvus (termodünaamiline suurus) lünkadeta ergastusi, mis muutuvad lünklikeks, kui magnetvälja nurka on vaid mõne kraadi võrra kallutatud. See sõltuvus väljanurgast on nende sõnul iseloomulik Majorana kvaasiosakeste ergastamisele.

"See on tsentrifuugimise vedelas olekus eeldatavate Majorana ergastuste tunnus, mille Kitaev sõnastas teoreetiliselt 2006. aastal," räägib Shibauchi. Füüsika maailm. "Usume, et seda ei saa seletada alternatiivsete piltidega ja seega annab nende ergutuste kohta veenvaid tõendeid."

Shibauchi tunnistab, et selliste mõõtmiste varasemad tulemused on olnud vastuolulised, kuna teadlastel oli raske öelda, kas pooltäisarvulise kvant Halli efektina tuntud nähtus – Majorana servarežiimi tunnus – ilmnes või mitte. Kuigi mõned proovid näitasid mõju, teised mitte, mistõttu paljud arvasid, et põhjus võib olla erinev nähtus. Siiski ütleb Shibauchi, et meeskonna uudne lähenemine, mis keskendub Majorana ergutustele iseloomulikule nurgast sõltuvale pilu sulgemise funktsioonile, „teeb neid väljakutseid”.

Pikk tee veel ees

Teadlaste sõnul näitavad uued tulemused, et Majorana fermione saab magnetisolaatori pöörlevas vedelas olekus ergastada. "Kui leitakse viis nende uute kvaasiosakestega manipuleerimiseks (mis ei ole lihtne ülesanne), võidakse tulevikus realiseerida tõrketaluvusega topoloogilised kvantarvutused, " ütleb Shibauchi.

Nende töös, mis on üksikasjalikult kirjeldatud Teadus ettemaksed, pidid teadlased kasutama suhteliselt kõrget magnetvälja, et saavutada Kitaevi spin-vedelik olek, mis sisaldab Majorana käitumist. Nüüd otsivad nad alternatiivseid materjale, milles Majorana osariik võiks ilmneda madalamatel või isegi nullväljadel. Emilio Cobanera, füüsik SUNY Polütehniline Instituut New Yorgis kes ei osalenud uuringus, nõustub, et sellised materjalid on võimalikud.

Majorana režiimid jäävad jätkuvalt kõrvale

„Tänu Shibauchi ja kolleegide detektiivitööle saame nimekirja lisada RuCl stabiilse faasi kihid.₃ enesekindlalt ja võib-olla oleme lõpuks arendamas eksperimentaalseid tehnikaid ja leidlikkust, et paljastada mis tahes paljudes teistes materjalides, ”ütleb ta. "Oma töös pidi meeskond eristama kahte eksootilist stsenaariumi: ühelt poolt Kitaevi kärgstruktuuri mudeli füüsika, mis tahes täpselt lahendatav mudel ja teine ​​​​uudne füüsika, magnonid, mis on seotud topoloogiliselt mittetriviaalsete ribastruktuuridega. ”

Cobanera juhib tähelepanu sellele, et nagu Shibauchi ja kolleegid ise märgivad, annaksid need kaks stsenaariumit väga erinevad prognoosid Halli soojusjuhtivuse käitumise kohta rakendatud tasapinnalise magnetvälja suuna muutumisel. Seetõttu järgisid nad seda tähelepanekut nüüdisaegsete mesoskoopiliste termiliste mõõtmistega, mis Cobanera sõnul on selgelt vastuolus magnoonilise seletusega ja toetavad poolkvantitatiivselt stsenaariumit mis tahes.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/heat-capacity-measurements-reveal-majorana-fermions/