Κβαντική Φυσική: Ερευνητές του MIT προτείνουν νέα μέθοδο για να εντοπιστούν τα φερμιόνια Majorana σε υπεραγώγιμο υλικό

Τα φερμιόνια Majorana (Μαγιοράνα), προβλέφθηκαν για πρώτη φορά το 1937, τότε που προτάθηκαν από τον Ιταλό φυσικό Ettore Majorana, ως μια ειδική μαθηματική λύση για την κβαντική συμπεριφορά των ηλεκτρονίων. Μπορούν να θεωρηθούν ως εάν τα ηλεκτρόνια να χωρίζονται σε δυο μέρη, καθένα από τα οποία συμπεριφέρεται ως ανεξάρτητο σωμάτιο. Τα φερμιόνια αυτά δεν υπάρχουν ως στοιχειώδη σωμάτια στη φύση αλλά μπορεί να αναδυθούν σε ορισμένα υπεραγώγιμα υλικά σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν. Στα υπεραγώγιμα υλικά, τα ηλεκτρόνια κινούνται χωρίς αντίσταση παράγοντας ελάχιστη έως μηδενική θερμότητα.

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Princeton ανέφεραν την ανίχνευση μιας μηδενικής διάστασης υλοποίηση αυτών των σωματίων στο τέλος μιας αλυσίδας ατόμων, τον Οκτώβριο του 2014. Οι θεωρητικοί του MIT τώρα δείχνουν ότι η τρισδιάστατη διάδοση των φερμιονίων Majorana που προβλέπουν, διέπεται από την αρχική εξίσωση Majorana. «Η εκτεταμένη μελέτη που έχουμε κάνει δείχνει ότι αυτό το περίεργο σωμάτιο μπορεί να βρει την υλοποίησή του στη φυσική στερεάς κατάστασης σε ένα πραγματικό υλικό», λέει ένα μέλος της ομάδας των ερευνητών του MIT. Η ανάλυση της επιστημονικής ομάδας, προβλέπει ότι η ειδική κατάσταση υπεραγωγιμότητας, στην οποία μπορεί να αναδυθεί το φερμιόνιο Majorana, θα συνέβαινε σε μια σύνθεση (PrOs4Sb12) των στοιχείων Πρασεοδύμιο (Pr), Όσμιο (Os) και Αντιμόνιο (Sb) και σε παρόμοια υλικά που έγιναν από βαρέα μέταλλα.

Σύμφωνα με τη θεωρητική ανάλυση της ομάδας, ένα χαμηλής θερμοκρασίας υλικό διαμορφωμένο από τα τρία αυτά στοιχεία, θα μπορούσε να φιλοξενήσει υποατομικά σωμάτια που είναι γνωστά ως φερμιόνια Majorana. Οι φυσικοί περιγράφουν τα ηλεκτρόνια με την ενέργεια, την ορμή και το spin τους. Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να κατέχει ένα πιθανό ενεργειακό επίπεδο και αν υπάρχει ένα μη κατεχόμενο (από ηλεκτρόνιο) επίπεδο αποκαλείται οπή. Στην νέα ανάλυση, τα φερμιόνια Majorana αναδύονται ως μια κβαντική υπέρθεση ενός ηλεκτρονίου και μιας οπής που κινούνται ελεύθερα, έχοντας την ίδια κατεύθυνση ή spin. Αυτό το spin των φερμιονίων Majorana αλληλεπιδρά με το spin των ατομικών πυρήνων στο υλικό, και έτσι θα μπορούσε να εμφανιστεί χρησιμοποιώντας τεχνικές πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, προβλέπουν οι επιστήμονες.

Σχηματική δομή του spin των σημειακών κόμβων Majorana σε υπεραγωγό

Μια βασική έννοια φυσικής στην εργασία είναι η συμμετρία αναστροφής του χρόνου. Μια τέτοια συμμετρία σημαίνει ότι οι εξισώσεις της κίνησης που διέπουν ένα αντικείμενο ή σωμάτιο παραμένουν οι ίδιες αν κάποιος θα μπορούσε να αναστρέψει την κατεύθυνση του χρόνου – με το χρόνο να «ρέει» προς τα πίσω παρά προς τα εμπρός. Εάν η εξίσωση κίνησης των ηλεκτρονίων σε ένα υλικό είναι διαφορετική όταν ο χρόνος «ρέει» προς τα πίσω – όπως στους μαγνήτες, για παράδειγμα – τότε η συμμετρία αναστροφής του χρόνου λέγεται ότι σπάζει-θραύεται. Αυτό δίνει στους φυσικούς ένα σημαντικό τρόπο να διακρίνουν διάφορα υλικά. Στον προτεινόμενο υπεραγωγό που βασίζεται στην ένωση του αντιμονίου, η ανάλυση δείχνει ότι τα φερμιόνια Majorana μπορούν να υπάρχουν μόνο όταν η συμμετρία αναστροφής του χρόνου είναι σπασμένη.

Αντιστρέφοντας την κίνηση στο χρόνο, το spin των φερμιονίων Majorana αντιστρέφεται – για παράδειγμα, από κατεύθυνση σύμφωνα με τους δείκτες του ωρολογίου, σε κατεύθυνση αντίθετα από την κίνηση των δεικτών – και αυτό συνεπάγεται μια διαφορετική εξίσωση κίνησης για τα φερμιόνια Majorana πηγαίνοντας προς τα πίσω στο χρόνο. «Σε σχέση με το υλικό που προτείνουμε, υπάρχει πράγματι ένα πρόσφατο πείραμα που επιβεβαιώνει ότι η συμμετρία αναστροφής του χρόνου θραύεται στην υπεραγώγιμη κατάσταση αυτού του υλικού. Αυτό ενισχύει το συμπέρασμά μας ότι είναι πράγματι ένα πολλά υποσχόμενο υποψήφιο υλικό για να εφαρμοστεί η θεωρία μας», εξηγεί μέλος της επιστημονικής ομάδας.

Οι ερευνητές ελπίζουν ότι η εργασία τους θα εμπνεύσει τους πειραματιστές να ψάξουν ξανά σε ορισμένα υλικά που μελετήθηκαν προηγουμένως για να προσδιορίσουν εκείνο που φιλοξενεί υπεραγώγιμες καταστάσεις με φερμιόνια Majorana.

Πηγή: MIT

Περισσότερα στη δημοσίευση: Three-dimensional Majorana fermions in chiral superconductors.