Измерения теплоемкости выявили майорановские фермионы

Измерения теплоемкости выявили майорановские фермионы

Отметка времени: 8 апреля 2024 г., 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="В лаборатории Доказательством существования майорановских фермионов стало термодинамическое поведение так называемого Китаевского магнита. (Любезно предоставлено: Т. Сибаучи)»>
Фотография Такасады Сибаучи в своей лаборатории, смотрящего на экран рядом с микроскопом.
В лаборатории Доказательством существования майорановских фермионов стало термодинамическое поведение так называемого Китаевского магнита. (Любезно предоставлено: Т. Сибаучи)

Исследователи из Японии и Кореи утверждают, что нашли «убедительные доказательства» существования теоретически предложенных частиц, называемых майорановскими фермионами. Доказательством существования этих давно разыскиваемых частиц стало термодинамическое поведение так называемого Китаевского магнита, и исследователи говорят, что их наблюдения не могут быть объяснены альтернативными теориями.

Майорановские фермионы названы в честь итальянского физика Этторе Майораны, предсказавшего их существование в 1937 году. Эти частицы необычны тем, что являются собственными античастицами, и в начале 2000-х годов физик-теоретик Алексей Китаев предсказал, что они могут существовать в форме квазичастиц, состоящих из двух спаренных электронов.

Эти квазичастицы известны как неабелевы анионы, и одной из их главных особенностей является то, что они устойчивы к внешним возмущениям. В частности, Китаев показал, что, если использовать их в качестве квантовых битов (или кубитов), определенные состояния будут «топологически защищены», а это означает, что они не могут быть случайно перевернуты внешним шумом. Это важно, поскольку такие возмущения являются одним из главных камней преткновения на пути создания практичного и устойчивого к ошибкам квантового компьютера.

Позже Китаев предположил, что эти майорановские состояния могут быть сконструированы как состояния электронных дефектов, которые возникают на концах квантовых нанопроводов, изготовленных из полупроводника, расположенных рядом со сверхпроводником. Поэтому большая часть последующих работ была сосредоточена на поиске майорановского поведения в гетероструктурах полупроводник-сверхпроводник.

Другой подход

В последнем исследовании исследователи под руководством Такасада Сибаучи Департамент перспективного материаловедения Токийского университета, Япония, вместе с коллегами из Корейский передовой институт науки и техники (KAIST), применил другой подход. Их работа сосредоточена на материале под названием α-RuCl.3, который является потенциальным «хозяином» для майорановских фермионов, поскольку может принадлежать к классу материалов, известных как спиновые жидкости Китаева (КСЛ).

Эти материалы сами по себе являются подтипом квантово-спиновых жидкостей — твердых магнитных материалов, которые не могут организовать свои магнитные моменты (или спины) в регулярную и стабильную структуру. Это «разочарованное» поведение сильно отличается от поведения обычных ферромагнетиков или антиферромагнетиков, спины которых направлены в одном и том же или чередующемся направлении соответственно. В QSL спины постоянно меняют направление, подобно жидкости, даже при ультрахолодных температурах.

Чтобы квалифицироваться как KSL, материал должен иметь идеальную (точно решаемую) двумерную сотовую решетку, а спины внутри этой решетки должны быть связаны посредством необычных обменных взаимодействий (типа Изинга). Такие взаимодействия отвечают за магнитные свойства повседневных материалов, таких как железо, и они происходят между парами одинаковых частиц, таких как электроны, в результате чего спины соседних частиц не направлены в одном направлении. Таким образом, говорят, что KSL страдают от разочарования в связи с «обменом связи».

В α-RuCl3, имеющий слоистую сотовую структуру, каждый Ру3+ ион (с эффективным спином -1/2) имеет три связи. Шибаучи и его коллеги объясняют, что устранение взаимодействий между двумя кратчайшими 90-градусными путями Ru-Cl-Ru приводит к взаимодействиям Изинга с осью вращения, перпендикулярной плоскости, включающей эти два пути.

«Признак Майорановского возбуждения»

В своих экспериментах исследователи измерили теплоемкость монокристалла α-RuCl.3 с использованием современной установки высокого разрешения. Эта установка находилась в холодильнике для разбавления, оснащенном двухосным вращателем на основе пьезоэлемента и сверхпроводящим магнитом, который прикладывает вращающееся магнитное поле к сотовой плоскости образца. Эти измерения выявили топологическую краевую моду в материале с весьма своеобразной зависимостью от угла магнитного поля. В частности, исследователи обнаружили, что при очень низких температурах теплоемкость материала (термодинамическая величина) демонстрирует бесщелевые возбуждения, которые сменяются на щелевые, когда угол магнитного поля наклоняется всего на несколько градусов. Такая зависимость от угла поля, говорят они, характерна для майорановских квазичастичных возбуждений.

«Это отличительная черта майорановских возбуждений, ожидаемых в состоянии спиновой жидкости, которые теоретически были сформулированы Китаевым в 2006 году», — говорит Шибаучи. Мир физики. «Мы считаем, что это невозможно объяснить альтернативными картинками, и поэтому предоставляем убедительные доказательства этих возбуждений».

Шибаучи признает, что предыдущие результаты таких измерений были противоречивыми, поскольку исследователям было трудно сказать, появился ли феномен, известный как полуцелый квантовый эффект Холла – признак краевой моды Майораны – или нет. Хотя некоторые образцы показали этот эффект, другие — нет, что заставило многих поверить, что причиной может быть другое явление. Однако Шибаучи говорит, что новый подход команды, фокусирующийся на функции закрытия зазора в зависимости от угла, характерной для майорановских возбуждений, «решает эти проблемы».

Впереди еще долгий путь

По мнению исследователей, новые результаты показывают, что майорановские фермионы могут возбуждаться в состоянии спиновой жидкости магнитного изолятора. «Если удастся найти способ манипулировать этими новыми квазичастицами (что, тем не менее, будет непростой задачей), в будущем могут быть реализованы отказоустойчивые топологические квантовые вычисления», — говорит Шибаучи.

В своей работе, подробно описанной в Наука развиваетсяисследователям пришлось применить относительно сильное магнитное поле, чтобы достичь состояния спиновой жидкости Китаева, которое соответствует майорановскому поведению. Сейчас они ищут альтернативные материалы, в которых состояние Майораны могло бы появиться в более низких или даже нулевых полях. Эмилио Кобанера, физик из Политехнический институт SUNY в Нью-Йорке не принимавший участия в исследовании, согласен, что такие материалы возможны.

«Благодаря детективной работе Шибаучи и его коллег мы можем добавить к этому списку слои стабильной фазы RuCl.3 с уверенностью, и, возможно, мы, наконец, развиваем экспериментальные методы и изобретательность, чтобы выявить анионы во многих других материалах», — говорит он. «В своей работе команде пришлось различать два экзотических сценария: физику модели сотов Китаева, с одной стороны, точно решаемую модель анионов, и другую часть новой физики, магнонов, связанных с топологически нетривиальными зонными структурами. »

Кобанера отмечает, что, как отмечают сами Шибаучи и его коллеги, эти два сценария дадут очень разные предсказания поведения тепловой проводимости Холла при изменениях направления приложенного магнитного поля в плоскости. Поэтому они последовали за этим наблюдением с помощью современных мезоскопических тепловых измерений, которые, по словам Кобанеры, явно несовместимы с магнонным объяснением и полуколичественно подтверждают сценарий с анионами.

Отметка времени:

Больше от Мир физики