Målinger av varmekapasitet avslører Majorana-fermioner – Physics World

Målinger av varmekapasitet avslører Majorana-fermioner – Physics World

Tidsstempel: 8. april 2024 4:30

<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 Bevisene for Majorana-fermioner dukket opp i den termodynamiske oppførselen til en såkalt Kitaev-magnet. (Med tillatelse: T Shibauchi)">
Foto av Takasada Shibauchi i laboratoriet hans og ser på en skjerm ved siden av et mikroskop
I laboratoriet Bevisene for Majorana-fermioner dukket opp i den termodynamiske oppførselen til en såkalt Kitaev-magnet. (Med tillatelse: T Shibauchi)

Forskere i Japan og Korea hevder å ha funnet "avgjørende bevis" for eksistensen av teoretisk foreslåtte partikler kalt Majorana-fermioner. Bevisene for disse lenge ettertraktede partiklene dukket opp i den termodynamiske oppførselen til en såkalt Kitaev-magnet, og forskerne sier at deres observasjoner ikke kan forklares med alternative teorier.

Majorana-fermioner er oppkalt etter den italienske fysikeren Ettore Majorana, som spådde deres eksistens i 1937. Disse partiklene er uvanlige ved at de er deres egne antipartikler, og på begynnelsen av 2000-tallet, den teoretiske fysikeren Alexei Kitaev spådde at de kunne eksistere i form av kvasipartikler som består av to sammenkoblede elektroner.

Disse kvasipartikler er kjent som ikke-abelske anyoner, og en av hovedattraksjonene deres er at de er robuste mot ytre forstyrrelser. Spesielt viste Kitaev at hvis de ble brukt som kvantebiter (eller qubits), ville visse tilstander være "topologisk beskyttet", noe som betyr at de ikke kan snus tilfeldig av ekstern støy. Dette er viktig fordi slike forstyrrelser er en av de viktigste snublesteinene for å lage en praktisk, feilbestandig kvantedatamaskin.

Kitaev foreslo senere at disse Majorana-tilstandene kan konstrueres som elektroniske defekttilstander som oppstår i endene av kvantenano-tråder laget av en halvleder plassert i nærheten av en superleder. Mye etterfølgende arbeid har derfor fokusert på å lete etter Majorana-atferd i halvleder-superleder-heterostrukturer.

En annen tilnærming

I den siste studien har forskere ledet av Takasada Shibauchi av Institutt for avansert materialvitenskap ved Universitetet i Tokyo, Japan, sammen med kolleger ved Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), tok en annen tilnærming. Arbeidet deres fokuserer på et materiale kalt α-RuCl3, som er en potensiell "vert" for Majorana-fermioner fordi den kan tilhøre en klasse materialer kjent som Kitaev-spinnvæsker (KSL).

Disse materialene er i seg selv en undertype av kvantespinnvæsker - solide magnetiske materialer som ikke kan ordne sine magnetiske momenter (eller spinn) til et regelmessig og stabilt mønster. Denne "frustrerte" oppførselen er veldig forskjellig fra vanlige ferromagneter eller antiferromagneter, som har spinn som peker i samme eller vekslende retninger. I QSL-er endrer spinnene hele tiden retning på en væskelignende måte, selv ved ultrakalde temperaturer.

For å kvalifisere som en KSL, må et materiale ha et perfekt (nøyaktig løsbart) todimensjonalt honeycomb-formet gitter, og spinnene innenfor dette gitteret må kobles via uvanlige (Ising-type) utvekslingsinteraksjoner. Slike interaksjoner er ansvarlige for de magnetiske egenskapene til hverdagslige materialer som jern, og de oppstår mellom par av identiske partikler som elektroner – med den effekten at de hindrer spinnene til nabopartikler i å peke i samme retning. KSL-er sies derfor å lide av "utvekslingskobling"-frustrasjon.

I a-RuCl3, som har en lagdelt bikakestruktur, hver Ru3+ ion (med et effektivt spinn på -1/2) har tre bindinger. Shibauchi og kollegene forklarer at en kansellering av interaksjoner mellom de to korteste Ru-Cl-Ru 90°-banene fører til Ising-interaksjoner med spinnaksen vinkelrett på planet som inkluderer disse to banene.

"Kennemerket for Majorana-eksitasjoner"

I sine eksperimenter målte forskerne varmekapasiteten til en enkelt krystall av α-RuCl3 ved hjelp av et toppmoderne høyoppløsningsoppsett. Dette oppsettet var inneholdt i et fortynningskjøleskap utstyrt med en piezobasert to-akset rotator og en superledende magnet som påfører et roterende magnetfelt på prøvens honningkakeplan. Disse målingene avslørte en topologisk kantmodus i materialet med en veldig særegen avhengighet av magnetfeltvinkelen. Spesielt fant forskerne at ved svært lave temperaturer viser materialets varmekapasitet (en termodynamisk mengde) gapløse eksitasjoner som endres til gappede når vinkelen på magnetfeltet vippes med bare noen få grader. Denne avhengigheten av feltvinkelen er, sier de, karakteristisk for Majorana kvasipartikkeleksitasjoner.

"Dette er kjennetegnet på Majorana-eksitasjoner som forventes i spinnvæsketilstanden, som teoretisk ble formulert av Kitaev i 2006," forteller Shibauchi Fysikkens verden. "Vi mener at dette ikke kan forklares alternative bilder og gir dermed avgjørende bevis for disse eksitasjonene."

Shibauchi erkjenner at tidligere resultater av slike målinger har vært kontroversielle fordi forskere fant det vanskelig å si om et fenomen kjent som halvheltalls kvante Hall-effekten – en signatur av Majorana-kantmodus – dukket opp eller ikke. Mens noen prøver viste effekten, gjorde andre det ikke, noe som fikk mange til å tro at et annet fenomen kan være ansvarlig. Shibauchi sier imidlertid at teamets nye tilnærming, med fokus på den vinkelavhengige spaltelukkingsfunksjonen som er spesifikk for Majorana-eksitasjoner, "tar disse utfordringene".

Fortsatt en lang vei frem

Ifølge forskerne viser de nye resultatene at Majorana-fermioner kan eksiteres i en spinnflytende tilstand av en magnetisk isolator. "Hvis man kan finne en måte å manipulere disse nye kvasipartikler (som ikke vil være en lett oppgave, når det er sagt), kan feiltolerante topologiske kvanteberegninger bli realisert i fremtiden," sier Shibauchi.

I deres arbeid, som er detaljert i Vitenskap Fremskritt, trengte forskerne å bruke et relativt høyt magnetfelt for å oppnå Kitaev-spinnvæsketilstanden som er vert for Majorana-oppførselen. De leter nå etter alternative materialer der Majorana-staten kan vises ved lavere, eller til og med null, felt. Emilio Cobanera, en fysiker ved SUNY Polytechnic Institute i New York som ikke var involvert i studien, er enig i at slikt materiale er mulig.

"Takket være detektivarbeidet til Shibauchi og kolleger, kan vi legge til listen lagene i den stabile fasen av RuCl3 med selvtillit, og kanskje utvikler vi endelig de eksperimentelle teknikkene og oppfinnsomheten for å avsløre hvem som helst i mange andre materialer, sier han. "I arbeidet sitt måtte teamet skille mellom to eksotiske scenarier: fysikken til Kitaev honeycomb-modellen på den ene siden, en nøyaktig løsbar modell av anyoner, og et annet stykke ny fysikk, magnoner knyttet til topologisk ikke-trivielle båndstrukturer. ”

Cobanera påpeker at, som Shibauchi og kollegene selv bemerker, vil disse to scenariene gi svært forskjellige spådommer for oppførselen til den termiske Hall-konduktansen under endringer i retning av et påført magnetfelt i planet. De fulgte derfor denne observasjonen med state-of-the-art mesoskopiske termiske målinger som, sier Cobanera, er klart inkonsistente med en storslått forklaring og støtter semi-kvantitativt scenariet med anyons.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden