Вимірювання теплоємності виявило ферміони Майорани – Physics World

Вимірювання теплоємності виявило ферміони Майорани – Physics World

Мітка часу: 8 квітня 2024 р., 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 лабораторії Доказ майоранівських ферміонів з'явився в термодинамічній поведінці так званого магніту Китаєва. (З дозволу: T Shibauchi)”>
Фото Такасади Шибауті у його лабораторії, дивлячись на екран поруч із мікроскопом
В лабораторії Доказ майоранівських ферміонів з'явився в термодинамічній поведінці так званого магніту Китаєва. (З люб’язного дозволу: T Shibauchi)

Дослідники з Японії та Кореї стверджують, що знайшли «переконливі докази» існування теоретично запропонованих частинок, які називаються ферміонами Майорани. Докази цих довгоочікуваних частинок з’явилися в термодинамічній поведінці так званого магніту Китаєва, і дослідники кажуть, що їхні спостереження неможливо пояснити альтернативними теоріями.

Ферміони Майорани названі на честь італійського фізика Етторе Майорани, який передбачив їх існування в 1937 році. Ці частинки незвичайні тим, що вони є своїми власними античастинками, і на початку 2000-х років фізик-теоретик Олексій Китаєв передбачив, що вони можуть існувати у формі квазічастинок, що складаються з двох спарених електронів.

Ці квазічастинки відомі як неабелеві аніони, і одна з їхніх головних переваг полягає в тому, що вони стійкі до зовнішніх збурень. Зокрема, Китаєв показав, що якщо їх використовувати як квантові біти (або кубіти), певні стани будуть «топологічно захищені», тобто вони не можуть бути випадково перевернуті зовнішнім шумом. Це важливо, оскільки такі збурення є одним із головних каменів спотикання на шляху створення практичного, стійкого до помилок квантового комп’ютера.

Пізніше Китаєв запропонував, що ці стани Майорани можуть бути сконструйовані як стани електронних дефектів, які виникають на кінцях квантових нанодротів, виготовлених із напівпровідника, розташованого поблизу надпровідника. Тому багато подальших робіт було зосереджено на пошуку поведінки Майорани в гетероструктурах напівпровідник-надпровідник.

Інший підхід

В останньому дослідженні дослідники під керівництвом Такасада Шибаучі в Відділ перспективних матеріалознавства Токійського університету, Японія, разом з колегами з Корейський передовий науково-технічний інститут (KAIST), застосував інший підхід. Їх робота зосереджена на матеріалі під назвою α-RuCl3, який є потенційним «господарем» для ферміонів Майорани, оскільки він може належати до класу матеріалів, відомих як спінові рідини Китаєва (KSL).

Ці матеріали самі по собі є підтипом квантових спінових рідин – твердих магнітних матеріалів, які не можуть організувати свої магнітні моменти (або спіни) у регулярну та стабільну схему. Ця «розчарована» поведінка дуже відрізняється від поведінки звичайних феромагнетиків або антиферомагнетиків, у яких спіни спрямовані в одному або чергуються напрямках відповідно. У QSL спіни постійно змінюють напрямок, подібно до рідини, навіть при ультранизьких температурах.

Щоб кваліфікуватись як KSL, матеріал повинен мати ідеальну (точно розв’язану) двовимірну решітку у формі соти, а спіни в цій решітці повинні бути пов’язані через незвичайні (типу Ізінга) обмінні взаємодії. Такі взаємодії відповідають за магнітні властивості повсякденних матеріалів, таких як залізо, і вони відбуваються між парами ідентичних частинок, таких як електрони, з ефектом запобігання обертанням сусідніх частинок від того, щоб вказувати в одному напрямку. Таким чином, кажуть, що KSL страждають від розчарування «обмінним зв’язком».

В α-RuCl3, який має шарувату стільникову структуру, кожен Ru3+ іон (з ефективним спіном -1/2) має три зв'язки. Шибаучі та його колеги пояснюють, що скасування взаємодії між двома найкоротшими шляхами Ru-Cl-Ru 90° призводить до взаємодії Ізінга з віссю обертання, перпендикулярною до площини, яка включає ці два шляхи.

«Відмітна риса майоранського збудження»

У своїх експериментах дослідники виміряли теплоємність монокристала α-RuCl3 з використанням найсучаснішої установки високої роздільної здатності. Ця установка містилася в холодильнику для розведення, оснащеному двоосьовим ротатором на основі п’єзосистеми та надпровідним магнітом, який прикладає обертове магнітне поле до стільникової площини зразка. Ці вимірювання виявили топологічну крайову моду в матеріалі з дуже своєрідною залежністю від кута магнітного поля. Зокрема, дослідники виявили, що при дуже низьких температурах теплоємність матеріалу (термодинамічна величина) демонструє збудження без щілин, які змінюються на щілини, коли кут магнітного поля нахилений лише на кілька градусів. Ця залежність від кута поля є, за їх словами, характерною для майоранівських квазічастинкових збуджень.

«Це характерна ознака майоранівських збуджень, які очікуються в спіновому рідкому стані, які були теоретично сформульовані Китаєвим у 2006 році», — розповідає Шибаучі. Світ фізики. «Ми вважаємо, що це неможливо пояснити альтернативними картинками, і таким чином надаємо переконливі докази цих хвилювань».

Шибаучі визнає, що попередні результати таких вимірювань були суперечливими, оскільки дослідникам було важко сказати, чи з’явилося явище, відоме як напівцілий квантовий ефект Холла – ознака режиму краю Майорани. У той час як деякі зразки показали ефект, інші ні, що змусило багатьох повірити, що причиною може бути інше явище. Проте Шибаучі каже, що новий підхід команди, який зосереджується на функції закриття розриву залежно від кута, специфічній для збудження Майорани, «вирішує ці проблеми».

Попереду ще довгий шлях

За словами дослідників, нові результати показують, що ферміони Майорани можуть збуджуватися в спіновому рідкому стані магнітного ізолятора. «Якщо можна знайти спосіб маніпулювати цими новими квазічастинками (що, як кажуть, буде нелегким завданням), у майбутньому можуть бути реалізовані стійкі до відмов топологічні квантові обчислення», — говорить Шибаучі.

У своїй роботі, яка детально в Наука розвивається, дослідникам потрібно було застосувати відносно сильне магнітне поле, щоб досягти спінового рідкого стану Китаєва, який відповідає за поведінку Майорани. Зараз вони шукають альтернативні матеріали, в яких стан Майорани може з’являтися на нижчих або навіть нульових полях. Еміліо Кобанера, фізик в Політехнічний інститут SUNY в Нью-Йорку який не брав участі в дослідженні, погоджується, що такі матеріали можливі.

«Завдяки детективній роботі Шибаучі та його колег ми можемо додати до списку шари стабільної фази RuCl.3 з упевненістю, і, можливо, ми нарешті розробимо експериментальні методи та винахідливість, щоб виявити будь-які речі в багатьох інших матеріалах», — каже він. «У своїй роботі команді довелося розрізнити два екзотичні сценарії: фізику моделі Китаївських сот, з одного боку, точно розв’язувану модель аніонів і іншу частину нової фізики, магнони, пов’язані з топологічно нетривіальними зонними структурами. »

Кобанера зазначає, що, як зазначають самі Шібаучі та його колеги, ці два сценарії дадуть дуже різні прогнози щодо поведінки теплопровідності Холла при зміні напрямку прикладеного площинного магнітного поля. Тому вони доповнили це спостереження найсучаснішими мезоскопічними тепловими вимірюваннями, які, за словами Кобанери, явно несумісні з магнонічним поясненням і напівкількісно підтверджують сценарій з аніонами.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики