Σωματιδιακή Φυσική: Στοιχεία από το πείραμα που πρότειναν οι θεωρητικοί και βρήκαν στοιχεία για τα φερμιόνια Majorana

Ένας λαμπρός φυσικός, ο Ettore Majorana (φωτογραφία), εισηγήθηκε κάτι το ανατρεπτικό: Πρόβλεψε ότι στην κατηγορία των σωμάτιων που είναι γνωστά ως φερμιόνια, που περικλείει τα πρωτόνιο, νετρόνιο, ηλεκτρόνιο, νετρίνο και κουάρκ, θα πρέπει να υπάρχουν σωμάτια που θα πρέπει τα ίδια να είναι αντισωμάτιά τους. Τώρα, μια ομάδα επιστημόνων βρήκε το πρώτο στέρεο στοιχείο ενός χειραλικού φερμιονίου Majorana. Ανακαλύφθηκε σε μια σειρά εργαστηριακών πειραμάτων σε εξωτικά υλικά στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Stanford. Η ομάδα ανέφερε τα αποτελέσματά της στο περιοδικό Science, 20 Ιουλίου. (Διαβάστε το άρθρο στο egno).

Αναζητώντας οιονεί σωμάτια

Η πρόβλεψη του Majorana εφαρμόστηκε μόνο για τα φερμιόνια που δεν έχουν φορτίο, όπως το νετρόνιο και το νετρίνο. Οι επιστήμονες έχουν από τότε βρει ένα αντισωμάτιο για το νετρόνιο, αλλά έχουν πολλούς λόγους να πιστεύουν ότι το νετρίνο θα μπορούσε να είναι το ίδιο το αντισωμάτιό του και υπάρχουν σε εξέλιξη τέσσερα πειράματα για να βρεθεί – ανάμεσα σε αυτά και το EXO-200, η τελευταία ενσάρκωση του Enriched Xenon Observatory (EXO), στο Νέο Μεξικό. Όμως αυτά τα πειράματα είναι εξαιρετικά δύσκολα και δεν αναμένεται να παραγάγουν μια απάντηση για σχεδόν μια δεκαετία.

Πριν από 10 χρόνια, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι τα φερμιόνια Majorana μπορούν επίσης να δημιουργηθούν σε πειράματα που εξερευνούν τη φυσική των υλικών – και ο αγώνας ήταν να το κάνουν να συμβεί. Αυτό που αναζητούν είναι τα «οιονεί σωμάτια» – διεγέρσεις σαν-σωμάτια που αναδύονται από την συλλογική συμπεριφορά ηλεκτρονίων σε υπεραγώγιμα υλικά, που άγουν ηλεκτρισμό με απόδοση 100%. Η διαδικασία που αναδύει αυτά τα οιονεί σωμάτια είναι όμοια με τον τρόπο που η ενέργεια μετατρέπεται σε βραχύβια «εικονικά» σωμάτια και πάλι πίσω σε ενέργεια στο κενό του χώρου, σύμφωνα με την περίφημη εξίσωση του Einstein E=mc^2. Ενώ τα οιονεί σωμάτια δεν είναι όπως τα σωμάτια που βρίσκονται στη φύση, θα μπορούσαν εν τούτοις να θεωρηθούν πραγματικά τα φερμιόνια Majorana.

Κατά τα πέντε τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες είχαν κάποια επιτυχία με αυτή την προσέγγιση, αναφέροντας ότι έχουν δει πολλά υποσχόμενες υπογραφές φερμιονίων Majorana σε πειράματα στα οποία εμπλέκονταν υπεραγώγιμα νανοσύρματα. Όμως σε αυτές τις περιπτώσεις τα οιονεί σωμάτια ήταν δεσμευμένα – εντοπισμένα σε ένα συγκεκριμένο μέρος, μάλλον, παρά διαδιδόμενα στο χώρο και το χρόνο – και ήταν δύσκολο να πεις αν άλλα φαινόμενα συνεισέφεραν στα σήματα που έβλεπαν οι ερευνητές, ανέφερε ο Shoucheng Zhang, θεωρητικός φυσικός και ένας από τους κύριους συγγραφείς της νέας ερευνητικής μελέτης για τον εντοπισμό του φερμιονίου Majorana.

“… η ομάδα δημιούργησε ένα λεπτό φιλμ στοιβάζοντας δυο κβαντικά υλικά – έναν υπεραγωγό και έναν μαγνητικό τοπολογικό μονωτή …”

Ένα «όπλο που καπνίζει»

Στα τελευταία πειράματα στα UCLA (Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Los Angeles) και UC-Irvine (Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Irvine), η ομάδα δημιούργησε ένα λεπτό φιλμ στοιβάζοντας δυο κβαντικά υλικά – έναν υπεραγωγό και έναν μαγνητικό τοπολογικό μονωτή – και έστειλε μέσω αυτών ηλεκτρικό ρεύμα, όλα μέσα σε ένα κρύο θάλαμο κενού. Το επάνω μέρος του φιλμ ήταν ένας υπεραγωγός. Το κάτω, ήταν ένας τοπολογικός μονωτής, ο οποίος άγει το ρεύμα μόνο κατά μήκος της επιφάνειάς του ή των εδρών του αλλά όχι μέσω του εσωτερικού του. Τοποθετώντας αυτά μαζί δημιουργήθηκε ένας υπεραγώγιμος τοπολογικός μονωτής, όπου τα ηλεκτρόνια συμπιέζονταν κατά μήκος των δυο εδρών της επιφάνειας του υλικού χωρίς αντίσταση, όπως τα αυτοκίνητα στους αυτοκινητόδρομους που σχεδιάζονται για κίνηση με υψηλές ταχύτητες.

Ήταν ιδέα του Zhang να αλλάξει λίγο τον τοπολογικό μονωτή προσθέτοντας ένα μικρό ποσό μαγνητικό υλικό σε αυτόν. Αυτό έκανε τα ηλεκτρόνια να ρέουν προς μια κατεύθυνση κατά μήκος της μιας έδρας της επιφάνειας και προς την αντίθετη κατεύθυνση κατά μήκος της αντίθετης έδρας. Μετά οι ερευνητές κίνησαν ένα μαγνήτη επάνω στην στοίβα των υλικών. Αυτό έκανε τη ροή των ηλεκτρονίων αργή, τα έκανε να σταματήσουν ή να αλλάξουν κατεύθυνση. Αυτές οι αλλαγές δεν ήταν ομαλές, αλλά γινόταν με απότομα ασυνεχή βήματα, σαν τα όμοια σκαλοπάτια σε μια σκάλα.

Σε ορισμένα σημεία σε αυτό τον κύκλο, αναδύονταν οιονεί σωμάτια Majorana, αναδυόμενα σε ζεύγη από το υπεραγώγιμο στρώμα και κινούνταν κατά μήκος των εδρών του τοπολογικού μονωτή, όπως έκαναν τα ηλεκτρόνια. Ένα μέλος από κάθε ζεύγος εκτρέπονταν από την πορεία, επιτρέποντας τους ερευνητές να μετρούν εύκολα τη ροή των ατομικών οιονεί σωματίων που κρατούσαν σταθερή πορεία. Όπως τα ηλεκτρόνια, μείωναν την ταχύτητα, σταματούσαν ή άλλαζαν κατεύθυνση – αλλά με βήματα ακριβώς μισά του μεγέθους αυτών που έκαναν τα ηλεκτρόνια. Αυτά τα μισά-βήματα ήταν το στοιχείο, το «όπλο που καπνίζει», που έψαχναν οι ερευνητές.

Τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων δεν είναι πιθανό να έχουν καμιά επίδραση στις προσπάθειες να προσδιοριστεί αν το νετρίνο είναι το ίδιο το αντισωμάτιό του, είπε ο καθηγητής φυσικής στο Stanford, Giorgio Gratta, ο οποίος έπαιξε κύριο ρόλο στο σχεδιασμό και τον προγραμματισμό του EXO-200. «Τα οιονεί σωμάτια που παρατηρήθηκαν είναι ουσιαστικά διεγέρσεις σε ένα υλικό που συμπεριφέρονται σαν σωμάτια Majorana», είπε ο Gratta. «Όμως δεν είναι στοιχειώδη σωμάτια και έγιναν με ένα τεχνητό τρόπο σε ένα πολύ ειδικά παρασκευασμένο υλικό. Είναι πολύ απίθανο ότι συμβαίνει στο σύμπαν μας, αν και ποιοι είμαστε εμείς για να το πούμε; Από την άλλη μεριά, τα νετρίνα είναι παντού και αν βρεθούν να είναι σωμάτια Majorana θα δείχναμε ότι η φύση όχι μόνο έχει κάνει αυτό το είδος σωματίων δυνατό, αλλά, κυριολεκτικά έχει γεμίσει το σύμπαν με αυτό».

Το σωμάτιο «άγγελος»

Μακριά στο μέλλον, είπε ο Zhang, τα φερμιόνια Majorana θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να κατασκευαστούν ισχυροί κβαντικοί υπολογιστές που δεν θα αποσυντονίζονται από τον περιβαλλοντικό θόρυβο, που είναι ένα μεγάλο εμπόδιο για την ανάπτυξή τους. Καθώς κάθε Majorana είναι ουσιαστικά μισό υποατομικό σωμάτιο, ένα μόνο qubit πληροφορίας θα μπορούσε να αποθηκεύεται σε δυο ιδιαιτέρως χωρισμένα φερμιόνια Majorana, μειώνοντας την πιθανότητα ότι κάτι θα μπορούσε να διαταράξει και τα δυο με μιας και να τα κάνει να χάσουν την πληροφορία που φέρουν.

Για τώρα, ο Zhang προτείνει ένα όνομα για το χειραλικό φερμιόνιο Majorana, που η ομάδα του ανακάλυψε: το «σωμάτιο άγγελος», με αναφορά στο best-seller του 2000 «Άγγελοι και δαίμονες» (στην Ελλάδα «Illuminati: Οι Πεφωτισμένοι») στο οποίο μια μυστική αδελφότητα σχεδιάζει να ανατινάξει το Βατικανό με μια βόμβα χρόνου της οποίας η εκρηκτική ισχύς προέρχεται από την εξαΰλωση ύλης και αντιύλης. Σε αντίθεση με το βιβλίο, σημείωσε, στον κβαντικό κόσμο του φερμιονίου Majorana υπάρχουν μόνο άγγελοι και όχι δαίμονες.

Πηγή: Stanford University

Περισσότερα στη δημοσίευση: Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure. Science.