Ferionul Majorana detectat într-o prăjitură cu straturi cuantice

Nota editorului: Pe 17 noiembrie 2022, Science a retras studiul descris în acest articol, în parte pentru că „o analiză a datelor brute și publicate a dezvăluit nereguli și discrepanțe grave”, scrie H. Holden Thorp, editorul șef al Science. „Aceste probleme i-au făcut pe editorii de la Science să-și piardă toată încrederea în concluziile lucrării.” Trei dintre autorii lucrării originale sunt de acord cu retragerea, în timp ce 14 autori nu.

O particulă care este propria sa antiparticulă pare să-și fi lăsat cartea de vizită într-un material solid.

Pentru a observa semnătura acelei particule, un fermion Majorana, oamenii de știință au cuplat o peliculă subțire a unui izolator topologic – care conduce electricitatea pe marginile sale, dar este izolatoare în interior – cu un strat de supraconductor, în care electronii pot curge fără rezistență. În acest tort strat de materiale, cercetătorii raportează în 21 iulie Ştiinţă, conductivitatea electrică a variat în salturi discrete de mărimea așteptată pentru fermionii Majorana.

„Experimentul a ieșit exact în modul în care am prezis”, spune fizicianul teoretician Shoucheng Zhang de la Universitatea Stanford.

Fizicianul teoretician italian Ettore Majorana a propus inițial în 1937 că acești fermioni ar putea fi un nou tip de particule fundamentale. În loc să aibă antiparticule încărcate opus, fermionii Majorana neutri din punct de vedere electric ar fi antiparticule ale ei înșiși.

Oamenii de știință bănuiesc că neutrinii – particule neutre minuscule care roiesc prin cosmos – ar putea fi fermioni Majorana, dar nu există nicio dovadă concretă. În schimb, singurii fermioni Majorana pentru care oamenii de știință au dovezi sunt sub forma unei „cvasiparticule”, o perturbare în interiorul unui material care se comportă ca o singură particulă, dar de fapt este rezultatul mișcării colective a multor electroni. În loc să urmărească în mod individual mișcările fiecărui electron dintr-un material, oamenii de știință cred că perturbarea este propria sa particule, simplificând matematica care explică modul în care se comportă materialul.

Mai multe experimente anterioare au găsit urme de fermioni Majorana (SN: 15/11/14, str. 8), dar noul rezultat dezvăluie o latură diferită a cvasiparticulelor ciudate. Spre deosebire de fermionii Majorana detectați anterior, aceștia sunt chirali, ceea ce înseamnă că ei călătoresc de-a lungul marginii unui strat 2-D de material într-o direcție, precum mașinile care înconjoară o pistă de curse.

„Cu siguranță, în ceea ce privește fermionii chirali Majorana, aceasta este singura dovadă definitivă care a fost raportată”, spune fizicianul teoretician Taylor Hughes de la Universitatea Illinois din Urbana-Champaign, care nu a fost implicat în cercetare.

Este, de asemenea, prima dovadă a unui fermion Majorana care se mișcă ca o particulă adevărată, în loc să rămână blocat într-un singur loc. Dovezi anterioare pentru cvasiparticule au fost găsite în nanofirele unidimensionale, în care un fermion Majorana stătea nemișcat la fiecare capăt al firului, ca o particulă legată de un anumit punct dintr-un material.

Fermionii Majorana își lasă amprenta în material (făcut din crom, bismut, antimoniu și teluriu suprapus cu niobiu supraconductor) prin modificarea unui fenomen cunoscut sub numele de efectul Hall anomal cuantic. În anumite materiale magnetice, conductivitatea electrică a unui strat subțire de material se modifică în trepte pe măsură ce un câmp magnetic mic este variat, crescând și scăzând în salturi de o anumită dimensiune. Semnătura fermionilor Majorana este un salt de conductivitate de jumătate din dimensiunea normală. Deoarece fermionul Majorana este propria sa antiparticulă, spune Zhang, „într-un sens foarte dur, este jumătate dintr-o particulă obișnuită”, rezultând sărituri de jumătate de dimensiune.

Detectarea acestei semnături este „cu adevărat singura dovadă fermă a prezenței fermionilor Majorana”, spune coautorul studiului Kang Wang, un fizician al materiei condensate la UCLA. El spune că indicii anterioare ale fermionilor Majorana ar fi putut fi explicate prin alte mijloace.

„Au un rezultat frumos, clar”, spune fizicianul materiei condensate Ali Yazdani de la Universitatea Princeton, sugerând cu tărie fermionii chirali Majorana sunt acolo. Dar „sunt lucruri care trebuie verificate”, cum ar fi dacă fermionii Majorana călătoresc într-adevăr pe marginea materialului așa cum era de așteptat.

Fermionii Majorana își pot găsi în cele din urmă un scop în calculatoarele cuantice. Microsoft, de exemplu, speră să creeze calculatoare cuantice topologice (SN: 7/8/17, str. 28) care ar valorifica proprietățile neobișnuite ale particulelor pentru a evita amestecul de informații cuantice delicate.