Eksperiment pronalazi dokaze za Majorana fermion, česticu koja je njegova antičestica

Zašto se voda kreće na gore? (Srpanj 2019).

Anonim

Godine 1928. fizičar Paul Dirac napravio je zapanjujuću predviđanja da svaka osnovna čestica u svemiru ima antičesticu - identični blizanac, ali s suprotnim nabojem. Kada se čestice i antičestica susreću, oni bi bili uništeni, oslobađajući čašu energije. Dovoljno je, nekoliko godina poslije, otkrivena prva antimaterijska čestica - suprotnost elektrona, pozitron - i antimater je brzo postao dio popularne kulture.

No, 1937. godine, drugi sjajni fizičar, Ettore Majorana, uveo je novu promjenu: Predvidio je da u klasi čestica poznatih kao fermionima, koji uključuju proton, neutron, elektron, neutrino i kvark, trebaju postojati čestice koje su njihove vlastite antičestice,

Sada tim koji uključuje znanstvenike Stanforda kaže da je pronašao prvi čvrsti dokaz takve Majorane fermion. Otkriven je u nizu laboratorijskih eksperimenata na egzotičnim materijalima na Kalifornijskom sveučilištu u suradnji sa Sveučilištem Stanford. Eksperimentalni tim vodio je profesor UCLA Kang Wang, a precizna teorijska predviđanja napravila je skupina profesora Stanforda Shoucheng Zhang, u suradnji s eksperimentalnim skupinama predvođenim izvanrednim profesorom Jing Xia na UC-Irvine i profesoru Kai Liuu u UC-Davisu. Tim je izvijestio o rezultatima 20. srpnja u Scienceu.

"Naš je tim predvidio točno gdje se može naći Majorana fermion i što treba tražiti kao svoj eksperimentalni potpis pušenja", rekao je Zhang, teorijski fizičar i jedan od starijih autora istraživačkog rada. "Ovo otkriće zaključuje jedno od najintenzivnijih pretraga u temeljnoj fizici, koja se proteže točno 80 godina".

Iako je traženje poznatog fermiona više intelektualno nego praktično, dodao je, mogao bi imati realne implikacije za izgradnju robusnih kvantnih računala, iako je to uistinu daleko u budućnosti.

Poseban tip Majorana fermion kojeg je promatrao istraživački tim poznat je kao "kiralni" fermion jer se kreće jednosmjernim putem samo u jednom smjeru. Dok su eksperimenti koji su ga proizveli bili izuzetno teški za shvaćanje, postavljanje i provođenje, signal koji su proizveli bio je jasan i nedvosmislen, rekli su istraživači.

"Ovo istraživanje kulminira dugoročnu potjeru za pronalaženjem kiralnih Majorana fermiona, što će biti orijentir na terenu", izjavio je Tom Devereaux, ravnatelj Instituta Stanford za materijale i energetske znanosti (SIMES) u SLAC-ovom Nacionalnom laboratoriju za ubrzanje gdje Zhang glavni je istražitelj.

"Čini se da je stvarno čista promatranja nečega novo", rekao je Frank Wilczek, teorijski fizičar i nobelovac na Massachusetts Institute of Technology koji nije bio uključen u studiju. "Nije u osnovi iznenađujuće, jer su fizičari dugo vremena mislili da bi Majorana fermions mogao nastati iz vrstama materijala korištenih u ovom eksperimentu, ali su sastavili nekoliko elemenata koji nikad prije nisu bili sastavljeni i inženjering tako da ovaj novi vrsta kvantne čestice može se promatrati na čistom, robusnom načinu pravi je prekretnica ".

Traži 'kvačice'

Majoranina predviđanja primijenjena su samo na fermione bez naboja, poput neutrona i neutrina. Znanstvenici su otkad pronašli antičesticu za neutron, ali imaju dobre razloge za vjerovanje da neutrino može biti njegova antičestica, a tu su i četiri eksperimenta u tijeku - uključujući EXO-200, najnoviju inkarnaciju Obnovljenog ksenonskog opservatorija, u Novom Meksiku. Ali ti eksperimenti su iznimno teški i ne očekuju se da će odgovoriti već desetak godina.

Prije otprilike 10 godina znanstvenici su shvatili da se Majorana fermions također mogu stvoriti u eksperimentima koji istražuju fiziku materijala - a utrka je bila na tome da se to dogodi.

Ono što traže su "kvazipartikali" - čestice poput uzbuđenja koje proizlaze iz kolektivnog ponašanja elektrona u supravodljivim materijalima, koji ponašaju električnu energiju sa 100 posto učinkovitosti. Proces koji dovodi do ovih kvasnih dijelova sličan je načinu na koji se energija pretvara u kratkotrajne "virtualne" čestice i opet natrag u energiju u vakuumu prostora, prema Einsteinovoj poznatoj jednadžbi E =mc2. Dok kvasne čestice nisu poput čestica koje se nalaze u prirodi, ipak bi se smatrale prave Majorana fermions.

Tijekom proteklih pet godina, znanstvenici su imali neki uspjeh s tim pristupom, izvijestivši da su vidjeli obećavajuće znakove majorana fermion u pokusima koji uključuju supravodljive nanočelje.

No, u tim slučajevima kvačice su bile "vezane" - pričvršćene na određeno mjesto, a ne širenje u prostoru i vremenu - i bilo je teško otkriti su li drugi učinci pridonijeli signalima koje su istraživači vidjeli, rekao je Zhang.

'Pištolj za pušenje'

U najnovijim eksperimentima na UCLA, UC-Davis i UC-Irvine, tim je složio tankoslojne filmove dvaju kvantnih materijala - supravodiča i magnetskog topološkog izolata - i preko njih kroz njih otpremio električnu struju, sve unutar hladne vakuumske komore.

Najbolji film bio je supravodič. Donji je bio topološki izolator koji provodi struju samo po svojoj površini ili rubovima, ali ne i kroz njegovu sredinu. Stavljajući ih zajedno stvorili su supravodljivi topološki izolator, gdje elektroni zatvaraju dva ruba površine materijala bez otpora, poput automobila na autocesti.

Radi se o Zhangovoj ideji da ugađaju topološki izolator dodavanjem male količine magnetskog materijala na nju. To je napravilo da elektroni prelijevaju jedan put duž jednog ruba površine i suprotno na suprotnom rubu.

Zatim su istraživači preletili magnet preko stogova. Time je protok elektrona bio spor, zaustavio se i prebacio smjer. Ove promjene nisu bile glatke, već su se događale u naglim koracima, poput istih stepenica u stubištu.

Na određenim točkama u ovom ciklusu pojavile su se kvarive Majorana, nastale u parovima izvan supravodljivog sloja i putujući duž rubova topološkog izolata jednako kao i elektroni. Jedan član svakog para izbačen je iz staze, omogućujući istraživačima lakše mjerenje protoka pojedinih kvasnih čestica koje su nastavile krenuti naprijed. Poput elektrona, usporili su, zaustavili i promijenili smjer - ali u koracima točno pola visoka kao i oni koje su elektroni uzeli.

Ove pola koraka bile su dokaze pušenja pištolja koje su istraživači tražili.

Rezultati ovih eksperimenata vjerojatno neće imati utjecaja na napore kako bi se utvrdilo je li neutrina vlastita antičestica, rekla je profesorica fizike Stanford Giorgio Gratta, koja je odigrala veliku ulogu u projektiranju i planiranju EXO-200.

"Kvasive čestice koje su promatrale bitno su uzbuđenja u materijalu koji se ponašaju poput čestica Majorane", rekao je Gratta. "Ali oni nisu elementarne čestice i vrlo su napravljeni u vrlo posebno pripremljenom materijalu. Vrlo je malo vjerojatno da se oni pojavljuju u svemiru, iako tko kažemo? S druge strane, neutrini su posvuda, i ako se ustanovi da su čestice Majorane, pokazali bi da priroda ne samo da je ta vrsta čestica bila moguća, već je zapravo doslovno ispunila svemir s njima. "

Dodao je: "Gdje je zanimljivo je da su analogije u fizici pokazale vrlo moćnu, pa čak i ako su vrlo različiti zvijeri, različiti procesi, možda ih možemo upotrijebiti da razumijemo drugu, možda ćemo otkriti nešto zanimljivo nama isto."

Čestica anđela

Dalje u budućnosti, rekao je Zhang, Majorana fermions mogu se koristiti za izgradnju robusnih kvantnih računala koja nisu izbačena šumom okoliša, što je velika prepreka njihovom razvoju. Budući da je svaka Majorana u suštini pola subatomske čestice, jedan jedini bit informacija mogao bi se pohraniti u dvije široko razdvojene Majorana fermions, smanjujući vjerojatnost da im nešto može istodobno ometati i učiniti ih izgubiti informacije koje nose.

Za sada, on predlaže ime za kiralnu Majorana fermion koju je njegov tim otkrio: "čarolija anđela", u odnosu na najprodavanije trilera 2000 anđela i demona, u kojima tajna bratstva planira raznijeti Vatikan vremenskom bombom čija eksplozivna snaga dolazi od uništavanja tvari-antimaterije. Za razliku od knjige, istaknuo je, u kvantnom svijetu Majorane fermion ima samo anđeli - nema demona.

menu
menu