Но в 1937 году другой блестящий физик, Этторе Майорана, представил новый поворот: он предсказал, что в классе частиц, известных как фермионы, который включает протон, нейтрон, электрон, нейтрино и кварк, должны быть частицы, которые являются собственными античастицами. .Теперь команда ученых из Стэнфорда заявляет, что нашла первое твердое свидетельство существования такого майорановского фермиона. Он был обнаружен в серии лабораторных экспериментов с экзотическими материалами в Калифорнийском университете в сотрудничестве со Стэнфордским университетом. Группу возглавляли доцент Калифорнийского университета в Ирвине Цзин Ся и профессор Калифорнийского университета Кан Ван, и они следовали плану, предложенному профессором физики Стэнфордского университета Шоученом Чжаном и его коллегами. Команда сообщила о результатах 20 июля в Science.
«Наша команда точно предсказала, где найти фермион Майораны и что следует искать в качестве его экспериментальной сигнатуры« дымящегося пистолета », — сказал Чжан, физик-теоретик и один из ведущих авторов исследовательской работы. «Это открытие завершает один из самых интенсивных поисков в фундаментальной физике, продолжавшийся ровно 80 лет».Хотя поиск знаменитого фермиона кажется более интеллектуальным, чем практическим, добавил он, он может иметь реальные последствия для создания надежных квантовых компьютеров, хотя, по общему признанию, это далеко в будущем.
Особый тип майорановских фермионов, которые наблюдала группа исследователей, известен как «киральный» фермион, потому что он движется по одномерному пути только в одном направлении. По словам исследователей, несмотря на то, что эксперименты, в результате которых это было произведено, было чрезвычайно сложно задумать, настроить и провести, сигнал, который они производили, был четким и недвусмысленным.«Это исследование завершит многолетнюю погоню за хиральными фермионами Майорана.
Это станет важной вехой в этой области», — сказал Том Деверо, директор Стэнфордского института материаловедения и энергетики (SIMES) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, где Чжан главный исследователь.«Похоже, это действительно чистое наблюдение чего-то нового», — сказал Фрэнк Вильчек, физик-теоретик и лауреат Нобелевской премии Массачусетского технологического института, не принимавший участия в исследовании. «В этом нет ничего удивительного, потому что физики долгое время думали, что майорановские фермионы могут возникать из материалов, использованных в этом эксперименте. вид квантовой частицы можно наблюдать чистым и надежным способом — это настоящая веха ».
Искать "квазичастицы"Предсказание Майораны применимо только к фермионам, не имеющим заряда, таким как нейтрон и нейтрино. Ученые с тех пор нашли античастицу для нейтрона, но у них есть веские основания полагать, что нейтрино может быть собственной античастицей, и предстоит выяснить четыре эксперимента, включая EXO-200, последнее воплощение Обсерватории обогащенного ксенона. , в Нью-Мексико.
Но эти эксперименты чрезвычайно трудны, и ожидается, что они не дадут ответа в ближайшие десять лет.Около 10 лет назад ученые поняли, что майорановские фермионы также могут быть созданы в экспериментах, которые исследуют физику материалов, и гонка за то, чтобы это произошло, шла полным ходом.То, что они искали, — это «квазичастицы» — возбуждения, подобные частицам, которые возникают в результате коллективного поведения электронов в сверхпроводящих материалах, которые проводят электричество со 100-процентной эффективностью. Процесс, который приводит к возникновению этих квазичастиц, сродни тому, как энергия превращается в короткоживущие «виртуальные» частицы и снова возвращается в энергию в космическом вакууме, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc2.
Хотя квазичастицы не похожи на частицы, встречающиеся в природе, они, тем не менее, будут считаться настоящими майорановскими фермионами.За последние пять лет ученые добились определенного успеха в этом подходе, сообщив, что они увидели многообещающие сигнатуры фермионов Майорана в экспериментах с использованием сверхпроводящих нанопроволок.
Но в этих случаях квазичастицы были «привязаны» — прикреплены к одному конкретному месту, а не распространялись в пространстве и времени — и было трудно сказать, способствовали ли другие эффекты наблюдаемым исследователям сигналам, сказал Чжан.Дымящийся пистолетВ последних экспериментах в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и Калифорнийском университете в Ирвине команда сложила тонкие пленки из двух квантовых материалов — сверхпроводника и магнитного топологического изолятора — и пропустила через них электрический ток внутри охлаждаемой вакуумной камеры.Верхняя пленка была сверхпроводником.
Нижний представлял собой топологический изолятор, проводящий ток только по его поверхности или краям, но не через его середину. Их соединение создало сверхпроводящий топологический изолятор, в котором электроны без сопротивления перемещаются по двум краям поверхности материала, как автомобили на супермагистрали.
Идея Чжана заключалась в том, чтобы настроить топологический изолятор, добавив к нему небольшое количество магнитного материала. Это заставляло электроны течь в одном направлении по одному краю поверхности и в противоположном — по противоположному краю.Затем исследователи навели на стопку магнит. Это заставляло поток электронов замедляться, останавливаться и переключать направление.
Эти изменения не были плавными, а происходили резкими ступенями, как идентичные ступеньки на лестнице.В определенные моменты этого цикла возникали майорановские квазичастицы, которые попарно возникали из сверхпроводящего слоя и перемещались по краям топологического изолятора так же, как и электроны. Один член каждой пары был отклонен с пути, что позволило исследователям легко измерить поток отдельных квазичастиц, которые продолжали продвигаться вперед.
Подобно электронам, они замедлялись, останавливались и меняли направление — но ступенями ровно в два раза меньше, чем у электронов.Эти полушаги были доказательством того, что исследователи искали.
Результаты этих экспериментов вряд ли окажут какое-либо влияние на попытки определить, является ли нейтрино собственной античастицей, сказал профессор физики Стэнфордского университета Джорджио Гратта, сыгравший важную роль в разработке и планировании EXO-200.«Наблюдаемые квазичастицы — это, по сути, возбуждения в материале, который ведет себя как частицы Майораны», — сказал Гратта. «Но это не элементарные частицы, и они созданы очень искусственным образом из специально подготовленного материала. Очень маловероятно, что они возникают во Вселенной, хотя кто мы такие?
С другой стороны, нейтрино есть везде, и если окажется, что они являются майорановскими частицами, мы покажем, что природа не только сделала возможными такие частицы, но, фактически, буквально заполнила ими вселенную ».Он добавил: «Что еще интереснее, так это то, что аналогии в физике оказались очень действенными.
И даже если это очень разные звери, разные процессы, возможно, мы сможем использовать одно, чтобы понять другого. нам тоже."Частица ангелаПо словам Чжана, в далеком будущем фермионы Майораны можно будет использовать для создания надежных квантовых компьютеров, которые не будут выбрасываться из-за шума окружающей среды, что было большим препятствием для их развития. Поскольку каждая майорановская частица по сути является половиной субатомной частицы, один кубит информации может храниться в двух широко разделенных майорановских фермионах, уменьшая вероятность того, что что-то может возмущать их обоих одновременно и заставить их потерять информацию, которую они несут.
На данный момент он предлагает название хиральному фермиону Майораны, обнаруженному его командой: «частица ангела» в связи с бестселлером 2000 года «Ангелы и демоны», в котором тайное братство замышляет взорвать Ватикан с помощью времени. бомба, взрывная сила которой происходит от аннигиляции материи и антивещества. Он отметил, что в отличие от книги, в квантовом мире фермиона Майорана есть только ангелы — никаких демонов.Видео, демонстрирующее основы теории: https://www.youtube.com/watch?v=sbJSAOngiGI