Группа исследователей под руководством Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики подтвердила наличие магнитных сигнатур, вероятно, связанных с майорановскими фермионами — неуловимыми частицами, которые могут быть основой квантового бита или кубита в двумерном графеноподобном материале, альфа -трихлорид рутения. Результаты, опубликованные в журнале Science, подтверждают и расширяют исследование Nature Materials 2016 года, в котором группа исследователей из ORNL, Университета Теннесси, Института Макса Планка и Кембриджского университета впервые предложила это необычное поведение в материале.«Это исследование является выполненным обещанием», — сказал ведущий автор Арнаб Банерджи, научный сотрудник ORNL. «Раньше мы предполагали, что это соединение, трихлорид альфа-рутения, демонстрирует физику майорановских фермионов, но материал, который мы использовали, был порошком и скрыл многие важные детали.
Теперь мы смотрим на большой монокристалл, который подтверждает, что необычный магнитный спектр согласуется с идеей о магнитных майорановских фермионах ».Фермионы Майораны были теоретизированы в 1937 году физиком Этторе Майораной. Они уникальны тем, что, в отличие от электронов и протонов, античастицами которых являются позитрон и антипротон, частицы с равными, но противоположными зарядами, майорановские фермионы являются собственными античастицами и не имеют заряда.
В 2006 году физик Алексей Китаев разработал решаемую теоретическую модель, описывающую, как топологически защищенные квантовые вычисления могут быть выполнены в материале с использованием квантовых спиновых жидкостей или QSL. QSL — это странные состояния, достигаемые в твердых материалах, где магнитные моменты или «спины», связанные с электронами, проявляют поведение, подобное жидкости.«Наши измерения нейтронного рассеяния показывают нам четкие признаки магнитных возбуждений, которые очень похожи на модель QSL Китаева», — сказал автор-корреспондент Стив Наглер, директор отдела квантовых конденсированных сред в ORNL. «Улучшения в новых измерениях похожи на то, как если бы мы смотрели на Сатурн в телескоп и впервые открывали кольца».Поскольку нейтроны представляют собой микроскопические магниты, не несущие заряда, их можно использовать для взаимодействия и возбуждения других магнитных частиц в системе без нарушения целостности атомной структуры материала.
Нейтроны могут измерять магнитный спектр возбуждений, показывая, как ведут себя частицы. Команда охладила материал до температуры, близкой к абсолютному нулю (около минус 450 градусов по Фаренгейту), чтобы позволить прямое наблюдение чисто квантовых движений.Использование прибора SEQUOIA в источнике нейтронов расщепления ORNL позволило исследователям составить карту магнитных движений кристалла как в пространстве, так и во времени.
«Мы можем видеть, как магнитный спектр проявляется в форме шестиконечной звезды и как он отражает основную сотовую решетку материала», — сказал Банерджи. «Если мы сможем понять эти магнитные возбуждения в деталях, то мы будем на один шаг ближе к поиску материала, который позволит нам осуществить последнюю мечту о квантовых вычислениях».Банерджи и его коллеги проводят дополнительные эксперименты с приложенными магнитными полями и переменным давлением.
«Мы применили очень мощную технику измерения, чтобы получить эти изысканные визуализации, которые позволяют нам напрямую видеть квантовую природу материала», — сказал соавтор Алан Теннант, главный научный сотрудник Управления нейтронных наук ORNL. «Отчасти волнение экспериментов заключается в том, что они приводят теорию. Мы видим эти вещи и знаем, что они реальны».