Värmekapacitetsmätningar avslöjar Majorana-fermioner – Physics World

Värmekapacitetsmätningar avslöjar Majorana-fermioner – Physics World

Tidsstämpel: 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 labbet Bevisen för Majorana-fermioner dök upp i det termodynamiska beteendet hos en så kallad Kitaev-magnet. (Med tillstånd: T Shibauchi)”>
Foto av Takasada Shibauchi i sitt laboratorium och tittar på en skärm bredvid ett mikroskop
I labbet Bevisen för Majorana-fermioner dök upp i det termodynamiska beteendet hos en så kallad Kitaev-magnet. (Med tillstånd: T Shibauchi)

Forskare i Japan och Korea hävdar att de har hittat "slutgiltiga bevis" för förekomsten av teoretiskt föreslagna partiklar som kallas Majorana-fermioner. Bevisen för dessa länge eftersökta partiklar dök upp i det termodynamiska beteendet hos en så kallad Kitaev-magnet, och forskarna säger att deras observationer inte kan förklaras av alternativa teorier.

Majorana-fermioner är uppkallade efter den italienska fysikern Ettore Majorana, som förutspådde deras existens 1937. Dessa partiklar är ovanliga eftersom de är deras egna antipartiklar, och i början av 2000-talet, den teoretiska fysikern Alexei Kitaev förutspådde att de kunde existera i form av kvasipartiklar som består av två parade elektroner.

Dessa kvasipartiklar är kända som icke-abeliska anyoner, och en av deras främsta attraktioner är att de är robusta mot yttre störningar. Specifikt visade Kitaev att, om de används som kvantbitar (eller qubits), skulle vissa tillstånd vara "topologiskt skyddade", vilket innebär att de inte kan vändas slumpmässigt av externt brus. Detta är viktigt eftersom sådana störningar är en av de främsta stötestenarna för att göra en praktisk, felbeständig kvantdator.

Kitaev föreslog senare att dessa Majorana-tillstånd skulle kunna konstrueras som elektroniska defekttillstånd som uppstår i ändarna av kvantnanotrådar gjorda av en halvledare som ligger nära en supraledare. Mycket efterföljande arbete har därför fokuserat på att leta efter Majorana-beteende i halvledare-supraledare-heterostrukturer.

En annan strategi

I den senaste studien har forskare under ledning av Takasada Shibauchi av Institutionen för avancerad materialvetenskap vid University of Tokyo, Japan, tillsammans med kollegor på Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), tog ett annat tillvägagångssätt. Deras arbete fokuserar på ett material som kallas α-RuCl3, som är en potentiell "värd" för Majorana-fermioner eftersom det kan tillhöra en klass av material som kallas Kitaev spin liquids (KSL).

Dessa material är i sig en undertyp av kvantspinnvätskor – fasta magnetiska material som inte kan ordna sina magnetiska moment (eller snurr) till ett regelbundet och stabilt mönster. Detta "frustrerade" beteende skiljer sig mycket från det för vanliga ferromagneter eller antiferromagneter, som har snurr som pekar i samma eller alternerande riktningar. I QSL ändrar snurren hela tiden riktning på ett vätskeliknande sätt, även vid ultrakalla temperaturer.

För att kvalificera sig som en KSL måste ett material ha ett perfekt (exakt lösbart) tvådimensionellt bikakeformat gitter, och spinnen inom detta gitter måste kopplas via ovanliga (Ising-typ) utbytesinteraktioner. Sådana interaktioner är ansvariga för de magnetiska egenskaperna hos vardagliga material som järn, och de uppstår mellan par av identiska partiklar som elektroner – med effekten av att förhindra snurr av närliggande partiklar från att peka i samma riktning. KSL:er sägs alltså lida av "utbyteskopplings"-frustration.

I a-RuCl3, som har en skiktad bikakestruktur, varje Ru3+ jon (med ett effektivt spin på -1/2) har tre bindningar. Shibauchi och kollegor förklarar att en upphävande av interaktioner mellan de två kortaste Ru-Cl-Ru 90°-banorna leder till Ising-interaktioner med spinnaxeln vinkelrät mot planet som inkluderar dessa två banor.

"Kännetecknet för Majorana-excitationer"

I sina experiment mätte forskarna värmekapaciteten hos en enda kristall av α-RuCl3 med hjälp av en toppmodern högupplöst installation. Denna inställning fanns i ett utspädningskylskåp utrustat med en piezobaserad tvåaxlig rotator och en supraledande magnet som applicerar ett roterande magnetfält på provets bikakeplan. Dessa mätningar avslöjade ett topologiskt kantläge i materialet med ett mycket märkligt beroende av magnetfältsvinkeln. Specifikt fann forskarna att vid mycket låga temperaturer visar materialets värmekapacitet (en termodynamisk kvantitet) gaplösa excitationer som ändras till gapade när vinkeln på magnetfältet lutar med bara några grader. Detta beroende av fältvinkeln är, säger de, karakteristiskt för Majorana kvasipartikelexcitationer.

"Detta är kännetecknet för Majorana-excitationer som förväntas i spinnvätsketillståndet, som teoretiskt formulerades av Kitaev 2006," säger Shibauchi Fysikvärlden. "Vi tror att detta inte kan förklaras alternativa bilder och ger därför avgörande bevis för dessa excitationer."

Shibauchi erkänner att tidigare resultat av sådana mätningar har varit kontroversiella eftersom forskare fann det svårt att avgöra om ett fenomen känt som halvheltalskvantum Hall-effekten - en signatur för Majorana-kantläget - uppstod eller inte. Medan vissa prover visade effekten, gjorde andra det inte, vilket fick många att tro att ett annat fenomen kan vara ansvarigt. Shibauchi säger dock att lagets nya tillvägagångssätt, med fokus på den vinkelberoende spaltstängningsfunktionen som är specifik för Majorana-excitationer, "tar upp dessa utmaningar".

Fortfarande en lång väg kvar

Enligt forskarna visar de nya resultaten att Majorana-fermioner kan exciteras i ett spinnvätsketillstånd av en magnetisk isolator. "Om man kan hitta ett sätt att manipulera dessa nya kvasipartiklar (vilket inte kommer att vara en lätt uppgift, som sagt), kan feltoleranta topologiska kvantberäkningar realiseras i framtiden," säger Shibauchi.

I deras arbete, som beskrivs i detalj i Vetenskap Förskott, behövde forskarna applicera ett relativt högt magnetfält för att uppnå Kitaevs spinnvätsketillstånd som är värd för Majorana-beteendet. De letar nu efter alternativa material där Majorana-staten kan förekomma vid lägre, eller till och med noll, fält. Emilio Cobanera, fysiker vid SUNY Polytechnic Institute i New York som inte var involverad i studien håller med om att sådant material är möjligt.

"Tack vare Shibauchis och kollegors detektivarbete kan vi lägga till lagren i den stabila fasen av RuCl till listan3 med tillförsikt, och kanske utvecklar vi äntligen de experimentella teknikerna och uppfinningsrikedomen för att avslöja vem som helst i många andra material, säger han. "I sitt arbete var teamet tvunget att skilja mellan två exotiska scenarier: fysiken i Kitaevs honeycomb-modell å ena sidan, en exakt lösbar modell av anyoner, och en annan del av ny fysik, magnoner associerade med topologiskt icke-triviala bandstrukturer. ”

Cobanera påpekar att, som Shibauchi och kollegor själva noterar, dessa två scenarier skulle ge mycket olika förutsägelser för beteendet hos den termiska Hall-konduktansen under riktningsändringar av ett applicerat magnetfält i planet. De följde därför denna observation med state-of-the-art mesoskopiska termiska mätningar som, säger Cobanera, är klart oförenliga med en magnonisk förklaring och stödjer semikvantitativt scenariot med anyons.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden