Lämpökapasiteettimittaukset paljastavat Majorana fermionit – Physics World

Lämpökapasiteettimittaukset paljastavat Majorana fermionit – Physics World

Aikaleima: 8. huhtikuuta 2024 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="Laboratoriossa Todisteet Majorana-fermioneista ilmaantuivat niin sanotun Kitaev-magneetin termodynaamisesta käyttäytymisestä. (Kohtelias: T Shibauchi)”>
Kuva Takasada Shibauchista laboratoriossaan katsomassa näyttöä mikroskoopin vieressä
Laboratoriossa Todisteet Majorana-fermioneista ilmaantuivat niin sanotun Kitaev-magneetin termodynaamisesta käyttäytymisestä. (Kohtelias: T Shibauchi)

Japanilaiset ja korealaiset tutkijat väittävät löytäneensä "vapaavaa näyttöä" Majorana-fermioneiksi kutsuttujen teoreettisesti ehdotettujen hiukkasten olemassaolosta. Todisteet näille kauan haetuille hiukkasille ilmestyivät niin sanotun Kitaev-magneetin termodynaamisessa käyttäytymisessä, ja tutkijat sanovat, että heidän havaintojaan ei voida selittää vaihtoehtoisilla teorioilla.

Majorana-fermionit on nimetty italialaisen fyysikon Ettore Majoranan mukaan, joka ennusti niiden olemassaolon vuonna 1937. Nämä hiukkaset ovat epätavallisia, koska ne ovat omia antihiukkasiaan, ja 2000-luvun alussa teoreettinen fyysikko Aleksei Kitaev ennustivat, että ne voisivat olla kvasihiukkasten muodossa, jotka koostuvat kahdesta elektroniparista.

Nämä kvasihiukkaset tunnetaan ei-abelilaisina anyoneina, ja yksi niiden tärkeimmistä nähtävyyksistä on, että ne kestävät ulkoisia häiriöitä. Tarkemmin sanottuna Kitaev osoitti, että jos niitä käytetään kvanttibitteinä (tai kubitteina), tietyt tilat olisivat "topologisesti suojattuja", mikä tarkoittaa, että niitä ei voida satunnaisesti kääntää ulkoisella kohinalla. Tämä on tärkeää, koska tällaiset häiriöt ovat yksi tärkeimmistä kompastuskivistä käytännöllisen, virheettömän kvanttitietokoneen valmistamisessa.

Kitaev ehdotti myöhemmin, että nämä Majorana-tilat voitaisiin suunnitella elektronisiksi vikatiloiksi, joita esiintyy suprajohteen lähellä sijaitsevasta puolijohteesta valmistettujen kvanttinanolankojen päissä. Monet myöhemmät työt ovat siksi keskittyneet Majoranan käyttäytymisen etsimiseen puolijohde-suprajohde-heterorakenteissa.

Erilainen lähestymistapa

Uusimmassa tutkimuksessa tutkijat johtivat Takasada Shibauchi että Tokion yliopiston edistyneen materiaalitieteen laitos, Japani, yhdessä kollegoiden kanssa Korean tiede- ja teknologiainstituutti (KAIST), otti toisenlaisen lähestymistavan. Heidän työnsä keskittyy materiaaliin nimeltä α-RuCl3, joka on potentiaalinen "isäntä" Majorana-fermioneille, koska se voi kuulua materiaaliluokkaan, joka tunnetaan nimellä Kitaev-spinnesteet (KSL).

Nämä materiaalit ovat itsessään kvanttipyöritysnesteiden alatyyppiä – kiinteitä magneettisia materiaaleja, jotka eivät pysty järjestämään magneettisia momenttejaan (tai spinejä) säännölliseen ja vakaaseen kuvioon. Tämä "turhautunut" käyttäytyminen on hyvin erilaista kuin tavallisilla ferromagneeteilla tai antiferromagneeteilla, joiden spinit osoittavat samaan tai vuorotteleviin suuntiin. QSL:issä spinit muuttavat jatkuvasti suuntaa nestemäisellä tavalla jopa erittäin kylmissä lämpötiloissa.

Jotta materiaali voidaan luokitella KSL:ksi, sillä on oltava täydellinen (täsmälleen ratkaistavissa oleva) kaksiulotteinen hunajakennomainen hila, ja tämän hilan sisällä olevat spinit on kytkettävä epätavallisten (Ising-tyyppisten) vaihtovuorovaikutusten kautta. Tällaiset vuorovaikutukset ovat vastuussa arkipäiväisten materiaalien, kuten raudan, magneettisista ominaisuuksista, ja niitä esiintyy identtisten hiukkasparien, kuten elektronien, välillä – mikä estää viereisten hiukkasten spinejä osoittamasta samaan suuntaan. KSL:n sanotaan siis kärsivän "vaihtokytkennän" turhautumisesta.

α-RuCl:ssa3, jossa on kerroksellinen hunajakennorakenne, jokainen Ru3+ ionissa (tehollinen spin -1/2) on kolme sidosta. Shibauchi ja kollegat selittävät, että kahden lyhimmän Ru-Cl-Ru 90° polun välisten vuorovaikutusten peruuntuminen johtaa Ising-vuorovaikutuksiin spin-akselin kanssa, joka on kohtisuorassa tasoon nähden, joka sisältää nämä kaksi polkua.

“Majoranan viritysten tunnusmerkki”

Kokeissaan tutkijat mittasivat α-RuCl:n yksittäiskiteen lämpökapasiteettia3 käyttämällä huippuluokan korkearesoluutioista asennusta. Tämä kokoonpano sisältyi laimennusjääkaappiin, joka oli varustettu pietsopohjaisella kaksiakselisella rotaattorilla ja suprajohtavalla magneetilla, joka kohdistaa pyörivän magneettikentän näytteen kennomaiseen tasoon. Nämä mittaukset paljastivat materiaalissa topologisen reunamoodin, jolla on hyvin erikoinen riippuvuus magneettikentän kulmasta. Erityisesti tutkijat havaitsivat, että erittäin alhaisissa lämpötiloissa materiaalin lämpökapasiteetti (termodynaaminen määrä) näyttää aukottomat viritteet, jotka muuttuvat aukkoiksi, kun magneettikentän kulmaa kallistetaan vain muutaman asteen verran. Tämä riippuvuus kenttäkulmasta on heidän mukaansa ominaista Majoranan kvasihiukkasvirityksille.

"Tämä on tunnusmerkki Majoranan virityksille, joita odotetaan spinnestetilassa, jonka Kitaev muotoili teoriassa vuonna 2006", Shibauchi kertoo. Fysiikan maailma. "Uskomme, että tätä ei voida selittää vaihtoehtoisilla kuvilla ja tarjoaa siten ratkaisevan todisteen näille herätteille."

Shibauchi myöntää, että aiemmat tällaisten mittausten tulokset ovat olleet kiistanalaisia, koska tutkijoiden oli vaikea sanoa, ilmestyikö puolikokonaisluvun kvantti Hall-ilmiö - Majoranan reunamoodin tunnusmerkki - vai ei. Vaikka jotkin näytteet osoittivat vaikutuksen, toiset eivät, mikä sai monet uskomaan, että syynä voi olla jokin muu ilmiö. Shibauchi kuitenkin sanoo, että tiimin uusi lähestymistapa, joka keskittyy Majorana-herätteille ominaiseen kulmasta riippuvaiseen aukon sulkemisominaisuuteen, "vastaa nämä haasteet".

Pitkä tie vielä edessä

Tutkijoiden mukaan uudet tulokset osoittavat, että Majorana-fermioneja voidaan virittää magneettisen eristeen spinnestetilassa. "Jos löydetään tapa manipuloida näitä uusia kvasihiukkasia (mikä ei ole helppo tehtävä), vikasietoisia topologisia kvanttilaskelmia voidaan toteuttaa tulevaisuudessa", Shibauchi sanoo.

Heidän työssään, joka on kuvattu yksityiskohtaisesti Tiede ennakot, tutkijoiden oli käytettävä suhteellisen suurta magneettikenttää saavuttaakseen Kitaev-spin nestetilan, joka isännöi Majoranan käyttäytymistä. He etsivät nyt vaihtoehtoisia materiaaleja, joissa Majoranan tila voisi esiintyä alemmilla tai jopa nollakentillä. Emilio Cobanera, fyysikko yrityksessä SUNY Polytechnic Institute New Yorkissa joka ei ollut mukana tutkimuksessa, on samaa mieltä siitä, että tällaiset materiaalit ovat mahdollisia.

"Shibauchin ja kollegoiden etsivän työn ansiosta voimme lisätä luetteloon RuCl:n vakaan vaiheen kerroksia3 luottavaisin mielin, ja ehkä viimeinkin kehitämme kokeellisia tekniikoita ja kekseliäisyyttä paljastaaksemme mitä tahansa monissa muissa materiaaleissa”, hän sanoo. "Tiimin täytyi työssään erottaa kaksi eksoottista skenaariota: toisaalta Kitaevin hunajakennomallin fysiikka, täsmällisesti ratkaistava anyonien malli ja toinen pala uutta fysiikkaa, topologisesti ei-triviaalisiin nauharakenteisiin liittyviä magnoneja. ”

Cobanera huomauttaa, että kuten Shibauchi ja kollegat itse huomauttavat, nämä kaksi skenaariota antaisivat hyvin erilaisia ​​ennusteita Hallin lämmönjohtavuuden käyttäytymisestä sovelletun, tasossa olevan magneettikentän suunnan muutoksissa. Siksi he seurasivat tätä havaintoa huippuluokan mesoskooppisilla lämpömittauksilla, jotka Cobaneran mukaan ovat selvästi ristiriidassa magnonisen selityksen kanssa ja tukevat puolikvantitatiivisesti skenaariota anyoneilla.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma