Măsurătorile capacității de căldură dezvăluie fermionii Majorana – Physics World

Măsurătorile capacității de căldură dezvăluie fermionii Majorana – Physics World

Marca temporală: 8 aprilie 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="În laborator Dovezile fermionilor Majorana au apărut în comportamentul termodinamic al așa-numitului magnet Kitaev. (Cu amabilitatea: T Shibauchi)”>
Fotografie cu Takasada Shibauchi în laboratorul său privind un ecran lângă un microscop
În laborator Dovezile fermionilor Majorana au apărut în comportamentul termodinamic al așa-numitului magnet Kitaev. (Cu amabilitatea: T Shibauchi)

Cercetătorii din Japonia și Coreea susțin că au găsit „dovezi concludente” pentru existența unor particule propuse teoretic numite fermioni Majorana. Dovezile pentru aceste particule mult căutate au apărut în comportamentul termodinamic al așa-numitului magnet Kitaev, iar cercetătorii spun că observațiile lor nu pot fi explicate prin teorii alternative.

Fermionii Majorana poartă numele fizicianului italian Ettore Majorana, care le-a prezis existența în 1937. Aceste particule sunt neobișnuite prin faptul că sunt propriile lor antiparticule, iar la începutul anilor 2000, fizicianul teoretician Alexei Kitaev a prezis că ar putea exista sub formă de cvasiparticule formate din doi electroni perechi.

Aceste cvasiparticule sunt cunoscute ca anyoni non-abelieni, iar una dintre principalele lor atracții este că sunt robuste la perturbații externe. Mai exact, Kitaev a arătat că, dacă sunt folosite ca biți cuantici (sau qubiți), anumite stări ar fi „protejate topologic”, ceea ce înseamnă că nu pot fi răsturnate aleatoriu de zgomotul extern. Acest lucru este important, deoarece astfel de perturbări sunt una dintre principalele piedici în realizarea unui computer cuantic practic, rezistent la erori.

Kitaev a propus mai târziu că aceste stări Majorana ar putea fi proiectate ca stări de defect electronic care apar la capetele nanofirelor cuantice realizate dintr-un semiconductor situat în apropierea unui supraconductor. Multe lucrări ulterioare s-au concentrat, prin urmare, pe căutarea comportamentului Majorana în heterostructurile semiconductoare-superconductoare.

O abordare diferită

În cel mai recent studiu, cercetătorii conduși de Takasada Shibauchi a Departamentul de Știința Materialelor Avansate de la Universitatea din Tokyo, Japonia, împreună cu colegii de la Institutul avansat de știință și tehnologie din Coreea (KAIST), a adoptat o abordare diferită. Munca lor se concentrează pe un material numit α-RuCl3, care este o „gazdă” potențială pentru fermionii Majorana, deoarece poate aparține unei clase de materiale cunoscute sub numele de lichide de spin Kitaev (KSL).

Aceste materiale sunt ele însele un subtip de lichide cu spin cuantic - materiale magnetice solide care nu își pot aranja momentele magnetice (sau rotațiile) într-un model regulat și stabil. Acest comportament „frustrat” este foarte diferit de cel al feromagneților obișnuiți sau al antiferomagneților obișnuiți, care au rotiri care indică aceleași direcții sau, respectiv, alterne. În QSL-uri, învârtirile își schimbă în mod constant direcția într-un mod asemănător fluidului, chiar și la temperaturi ultrareci.

Pentru a fi calificat ca KSL, un material trebuie să aibă o rețea perfectă (exact solubilă) bidimensională în formă de fagure, iar spin-urile din această rețea trebuie să fie cuplate prin interacțiuni de schimb neobișnuite (de tip Ising). Astfel de interacțiuni sunt responsabile pentru proprietățile magnetice ale materialelor de zi cu zi, cum ar fi fierul, și ele apar între perechi de particule identice, cum ar fi electronii - cu efectul de a împiedica rotațiile particulelor învecinate să îndrepte în aceeași direcție. Prin urmare, se spune că KSL-urile suferă de frustrarea „cuplajului de schimb”.

În α-RuCl3, care are o structură de fagure stratificată, fiecare Ru3+ ionul (cu un spin efectiv de -1/2) are trei legături. Shibauchi și colegii săi explică că o anulare a interacțiunilor dintre cele mai scurte două căi Ru-Cl-Ru de 90° duce la interacțiuni Ising cu axa de spin perpendiculară pe planul care include aceste două căi.

„Semnul distinctiv al excitațiilor Majorana”

În experimentele lor, cercetătorii au măsurat capacitatea de căldură a unui singur cristal de α-RuCl3 folosind o configurație de înaltă rezoluție de ultimă generație. Această configurație a fost conținută într-un frigider de diluție echipat cu un rotator cu două axe pe bază de piezo și un magnet supraconductor care aplică un câmp magnetic rotativ pe planul de tip fagure al probei. Aceste măsurători au relevat un mod de margine topologic în material cu o dependență foarte particulară de unghiul câmpului magnetic. Mai exact, cercetătorii au descoperit că, la temperaturi foarte scăzute, capacitatea de căldură a materialului (o cantitate termodinamică) arată excitații fără întreruperi care se schimbă în cele întrerupte atunci când unghiul câmpului magnetic este înclinat cu doar câteva grade. Această dependență de unghiul câmpului este, spun ei, caracteristică excitațiilor cvasiparticulelor Majorana.

„Acesta este semnul distinctiv al excitațiilor Majorana așteptate în starea lichidă de spin, care a fost formulată teoretic de Kitaev în 2006”, spune Shibauchi. Lumea fizicii. „Credem că acest lucru nu poate fi explicat imagini alternative și, astfel, oferă dovezi concludente pentru aceste excitații.”

Shibauchi recunoaște că rezultatele anterioare ale unor astfel de măsurători au fost controversate, deoarece cercetătorilor le-a fost greu să spună dacă a apărut sau nu un fenomen cunoscut sub numele de efectul Hall cuantic pe jumătate întreg – o semnătură a modului de margine Majorana. În timp ce unele mostre au arătat efectul, altele nu, făcându-i pe mulți să creadă că un alt fenomen ar putea fi responsabil. Cu toate acestea, Shibauchi spune că abordarea nouă a echipei, concentrându-se pe caracteristica de închidere a decalajului dependentă de unghi, specifică excitațiilor Majorana, „abordează aceste provocări”.

Mai este un drum lung înainte

Potrivit cercetătorilor, noile rezultate arată că fermionii Majorana pot fi excitați într-o stare lichidă de spin a unui izolator magnetic. „Dacă cineva poate găsi o modalitate de a manipula aceste noi cvasiparticule (ceea ce nu va fi o sarcină ușoară, spuse acestea), calculele cuantice topologice tolerante la erori pot fi realizate în viitor”, spune Shibauchi.

În lucrarea lor, care este detaliată în Avansuri de știință, cercetătorii au trebuit să aplice un câmp magnetic relativ ridicat pentru a obține starea lichidă de spin Kitaev care găzduiește comportamentul Majorana. Ei caută acum materiale alternative în care statul Majorana ar putea apărea la câmpuri mai mici sau chiar zero. Emilio Cobanera, fizician la Institutul Politehnic SUNY din New York care nu a fost implicat în studiu, este de acord că astfel de materiale sunt posibile.

„Datorită muncii de detectiv a lui Shibauchi și a colegilor, putem adăuga la listă straturile fazei stabile a RuCl.3 cu încredere și poate că dezvoltăm în sfârșit tehnicile experimentale și ingeniozitatea pentru a dezvălui pe oricine în multe alte materiale”, spune el. „În munca lor, echipa a trebuit să facă diferența între două scenarii exotice: fizica modelului de fagure Kitaev pe de o parte, un model exact rezolvabil al oricărui om și o altă piesă de fizică nouă, magnonii asociați structurilor de bandă non-triviale din punct de vedere topologic. ”

Cobanera subliniază că, așa cum notează Shibauchi și colegii înșiși, aceste două scenarii ar produce predicții foarte diferite pentru comportamentul conductanței termice Hall în cazul schimbărilor de direcție a unui câmp magnetic aplicat în plan. Prin urmare, ei au urmat această observație cu măsurători termice mezoscopice de ultimă generație care, spune Cobanera, sunt în mod clar incompatibile cu o explicație magnonică și susțin semi-cantitativ scenariul cu oricine.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii