Jedes fundamentale Teilchen im Universum hat ein Antiteilchen, das die gleiche Masse, aber die entgegengesetzte Ladung hat. Wenn ein Teilchen auf sein Antiteilchen trifft, würden sich die beiden in einem Energieblitz vernichten. Es gibt jedoch seit langem die Theorie, dass es eine Ausnahme von der Regel gibt, nämlich bestimmte Teilchen, die eigentlich ihre eigenen Antiteilchen sind.

Jetzt haben Wissenschaftler der Stanford University und der University of California (UC) den ersten eindeutigen Beweis für diese Art von Teilchen gefunden, die sie als " Engelchen" Ein Team von Wissenschaftlern aus Stanford und der Universität von Kalifornien hat nach eigenen Angaben den ersten eindeutigen Beweis für ein solches Majorana-Fermion gefunden. Es wurde in einer Reihe von Laborexperimenten mit exotischen Materialien an der Universität von Kalifornien (UC) in Zusammenarbeit mit der Universität Stanford entdeckt. Das Team wurde von UC-Irvaine Associate Professor Jing Xia und Professor Kang Wang von der Universität vonCalifornia in Los Angeles (UCLA) und folgten einem Plan, den Shoucheng Zhang, Physikprofessor in Stanford, und Kollegen vorgeschlagen hatten. Das Team berichtete über die Ergebnisse in einem Artikel, der im Wissenschaft .

Die Theorie geht auf das Jahr 1937 zurück, als der italienische Physiker Ettore Majorana auf eine Lücke in der Fermionenfamilie der Teilchen hinwies. Protonen, Elektronen, Neutronen, Neutrinos und Quarks sind allesamt Fermionen und haben alle entsprechende Antiteilchen, aber nach Majoranas Berechnungen muss es Teilchen geben, die ihre eigenen Antiteilchen sind, die dann als Majorana-Fermionen .

Da sie keine Ladung haben, waren Neutronen und Neutrinos die besten Kandidaten für diese Majorana-Fermionen, aber es wurden auch Antinutronen entdeckt. Hinter den Neutrinos steht immer noch ein großes Fragezeichen, und es werden derzeit Experimente durchgeführt, um festzustellen, ob sie tatsächlich ihr eigenes Antiteilchen sind. Die Schwierigkeit der Experimente bedeutet jedoch, dass eine Antwort noch ausstehtist mehr als ein Jahrzehnt von uns entfernt.

Der wahrscheinlichste Weg, Majorana-Fermionen zu finden, ist die Suche nach "Quasiteilchen". Wie der Name schon sagt, handelt es sich dabei nicht um ganz natürliche Teilchen, sondern um Teilchen, die aus dem kollektiven Verhalten von Elektronen hervorgehen und bestimmte Eigenschaften von Teilchen besitzen. Wenn dies schwer vorstellbar ist, kann die Encyclopaedia Britannica erklärt das Konzept als Bläschen in einem Getränk: Bläschen entstehen auch durch das "kollektive Verhalten" von Chemikalien im Getränk, und obwohl sie keine wirklich unabhängigen Objekte sind, haben Bläschen messbare Eigenschaften wie echte Objekte, einschließlich Größe, Form usw.

Ähnlich verhält es sich mit Quasiteilchen, die nur unter ganz bestimmten Bedingungen auftreten, aber als Majorana-Fermionen betrachtet werden können, wenn sie die richtigen Eigenschaften aufweisen. Jetzt haben Forscher aus Stanford und der Universität von Kalifornien nach eigenen Angaben ein " Unterschrift unbestreitbar". (oder "unbestreitbarer Beweis" oder " smoking gun", der Ausdruck, der häufig in den Medien über die Entdeckung zu lesen war), der auf das Vorhandensein dieser hypothetischen Fermionen hinweist.

"Unser Team hat genau vorhergesagt, wo das Majorana-Fermion zu finden ist und wonach es als experimentelle Signatur von ' unanfechtbare Beweise". Diese Entdeckung bildet den Abschluss einer der intensivsten Forschungen in der Grundlagenphysik, die genau 80 Jahre gedauert hat.

Um diese besonderen Quasiteilchen sichtbar zu machen, konstruierte das Team sorgfältig sein ganz spezielles "Getränk" (wie die flüssigen Bedingungen, die die Blasen erzeugen), das aus dünnen Filmen von zwei übereinander gestapelten Quantenmaterialien besteht. Das Endergebnis ist ein supraleitender topologischer Isolator, der es den Elektronen ermöglicht, sich schnell entlang der Kanten der Oberfläche desFügt man dem Gemisch eine Prise magnetisches Material hinzu, fließen die Elektronen in eine Richtung entlang einer Kante und in die entgegengesetzte Richtung entlang der anderen.

Die Forscher verteilten dann einen Magneten auf dem Material, was dazu führte, dass alle Elektronen langsamer wurden, anhielten und die Richtung wechselten, und zwar in einer ruckartigen, gestaffelten Bewegung, die das Team mit den Stufen einer Treppe vergleicht.Die Quasiteilchen begannen, paarweise aus dem Material auszutreten und denselben Weg wie die Elektronen zu nehmen, aber es gab einen grundlegenden Unterschied:Wenn sie die Bewegung anhielten und umkehrten, taten sie dies in "Schritten" von genau der Hälfte der Elektronen. Denn jedes ist im Grunde nur ein halbes Teilchen, da von jedem Quasiteilchenpaar eines auf dem Weg verloren geht. Und dieses Phänomen war genau der Beweis, den die Forscher suchten.

Zhang schlug vor, die Entdeckung des Teams als "Engelsteilchen" zu bezeichnen, in Anlehnung an Dan Browns Roman "Engel und Dämonen", in dem es um eine Bombe geht, die durch das Zusammentreffen von Materie und Antimaterie angetrieben wird. Langfristig könnten die Majoranas-Fermionen eine praktische Anwendung finden, um Quantencomputer sicherer zu machen.

Die Forschung

Im Jahr 1928 machte der Physiker Paul Dirac die verblüffende Vorhersage, dass jedes fundamentale Teilchen im Universum ein Antiteilchen hat - d.h. ein identisches, aber entgegengesetzt geladenes Zwillingsteilchen (die elektrischen Ladungen von Teilchen und Antiteilchen und ihre Winkelmomente haben die gleichen absoluten Werte wie ihre symmetrischen Gegenstücke, doch die elektromagnetischen Felder haben die gleichen VorzeichenGegenteil).

Einige Jahre später wurde das erste Antimaterieteilchen - das Gegenteil des Elektrons, das Positron - entdeckt, und die Antimaterie wurde schnell Teil der Populärkultur.

Materie + Antimaterie = Energie: Wenn ein Materieteilchen mit seiner Antimaterie zusammenstößt, werden beide in reine Energie umgewandelt, die proportional zur verbrauchten Masse ist und Energie gemäß E=mc² erzeugt.

Doch 1937 führte der brillante Physiker Ettore Majorana eine neue Idee ein: Er sagte voraus, dass es in der als Fermionen bekannten Teilchenklasse, zu der Proton, Neutron, Elektron, Neutrino und Quark gehören, Teilchen geben sollte, die ihre eigenen Antiteilchen sind.

"Unser Team hat genau vorhergesagt, wo das Majorana-Fermion zu finden ist und wonach man als seine experimentelle "unerwünschte Signatur" suchen muss", sagt Zhang, theoretischer Physiker und einer der Hauptautoren der Forschungsarbeit, "Diese Entdeckung ist der Abschluss einer der intensivsten Forschungen in der Grundlagenphysik, die genau 80 Jahre gedauert hat."

Obwohl die Suche nach dem berühmten Fermion eher intellektueller als praktischer Natur zu sein scheint, so fügte er hinzu, könnte sie sich im wirklichen Leben auf den Bau robuster Quantencomputer auswirken, auch wenn dies zugegebenermaßen noch in weiter Ferne liegt.

Die besondere Art des Majorana-Fermions, so das Forscherteam, ist als "chirales" Fermion bekannt, weil es sich entlang eines eindimensionalen Pfades in nur eine Richtung bewegt. Obwohl die Experimente, die es hervorgebracht haben, extrem schwierig zu entwerfen, einzurichten und durchzuführen waren, war der Beweis, den sie erbrachten, klar und eindeutig, so die Forscher.

"Diese Forschungsarbeit ist der Höhepunkt einer langjährigen Suche nach chiralen Majorana-Fermionen und ein Meilenstein auf diesem Gebiet", sagte Tom Devereaux, Direktor des Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) am SLAC National Accelerator Laboratory, wo Zhang als leitender Forscher tätig ist.

"Es scheint wirklich eine klare Beobachtung von etwas Neuem zu sein", sagte Frank Wilczek, ein theoretischer Physiker und Nobelpreisträger am Massachusetts Institute of Technology (MIT), der nicht an der Studie beteiligt war. "Es ist nicht grundsätzlich überraschend, denn Physiker haben lange gedacht, dass Majorana-Fermionen aus den in diesem Experiment verwendeten Materialien entstehen könnten. Aber sie haben mehrereDie Kombination von Elementen, die noch nie zuvor zusammengefügt wurden, und die Technik, die dahinter steckt, ist ein echter Meilenstein, der es ermöglicht hat, diese neue Art von Quantenteilchen auf klare und robuste Weise zu beobachten."

Suche nach "Quasiteilchen"

Majoranas Vorhersage galt nur für Fermionen, die keine Ladung haben, wie das Neutron und das Neutrino. Wissenschaftler haben bereits ein Antiteilchen für das Neutron gefunden, aber sie haben guten Grund zu der Annahme, dass das Neutrino sein eigenes Antiteilchen sein könnte, und es sind vier Experimente im Gange, um das herauszufinden - mit dem EXO-200, der neuesten Generation des Enriched Xenon Observatory (EXO), einer Observatorium für angereichertes Xenon Diese Experimente sind jedoch außerordentlich schwierig und werden voraussichtlich erst in etwa zehn Jahren zu einer Antwort führen.

Vor etwa zehn Jahren erkannten Wissenschaftler, dass Majorana-Fermionen auch in Experimenten zur Materialphysik erzeugt werden können - und es begann ein Wettlauf mit der Zeit, dies zu realisieren.

Gesucht wurden "Quasiteilchen" - teilchenähnliche Erreger, die aus dem kollektiven Verhalten von Elektronen in supraleitenden Materialien entstehen, die Elektrizität mit 100-prozentiger Effizienz leiten ( Lesen Sie den Science Today-Artikel über Quasiteilchen hier Der Prozess, der zu diesen Quasiteilchen führt, ähnelt der Art und Weise, wie Energie im Vakuum des Raums in kurzlebige "virtuelle" Teilchen und wieder zurück in Energie umgewandelt wird, gemäß Einsteins berühmter Gleichung E = mc². Obwohl Quasiteilchen nicht wie in der Natur vorkommende Teilchen sind, könnten sie dennoch als echte Majorana-Fermionen betrachtet werden.

In den letzten fünf Jahren hatten Wissenschaftler mit diesem Ansatz einigen Erfolg und berichteten, dass sie in Experimenten mit supraleitenden Nanodrähten vielversprechende Anzeichen des Majorana-Fermions entdeckt hatten.

Aber in diesen Fällen waren die Quasiteilchen "eingeschlossen" - sie saßen an einem bestimmten Ort fest, anstatt sich durch Raum und Zeit auszubreiten - und es war schwer zu sagen, ob andere Effekte zu den Signalen beitrugen, die die Forscher sahen, so Zhang.

Rauchende Waffe - heißer Beweis

In den jüngsten Experimenten an der UCLA und der UC-Irvine, die dem von Forschern der Stanford University vorgeschlagenen Plan folgten, stapelte das Team dünne Filme aus zwei Quantenmaterialien - einem Supraleiter und einem magnetischen topologischen Isolator - und ließ einen elektrischen Strom durch sie fließen, alles in einer eisigen Vakuumkammer.

Die obere Schicht war der Supraleiter, die untere Schicht der topologische Isolator, der nur entlang seiner Oberfläche oder Kanten wirkt, aber nicht durch das Medium hindurch. Durch ihre Kombination entstand ein supraleitender topologischer Isolator, bei dem Elektronen ohne Widerstand an zwei Kanten der Materialoberfläche entlanggleiten, wie Autos auf einer Autobahn.

Es war Zhangs Idee, den topologischen Isolator durch Zugabe einer kleinen Menge magnetischen Materials so zu verändern, dass die Elektronen an einer Kante der Oberfläche in eine Richtung und an der anderen Kante in die entgegengesetzte Richtung fließen.

Dann führten die Forscher einen Magneten über die Batterie, wodurch sich der Elektronenfluss verlangsamte, anhielt und die Richtung änderte. Diese Änderungen waren nicht gleichmäßig, sondern erfolgten in abrupten Schritten, wie "gleiche Stufen auf einer Treppe".

An bestimmten Punkten in diesem Zyklus traten Majorana-Quasiteilchen auf, die paarweise aus der supraleitenden Schicht hervortraten und sich wie die Elektronen entlang der Kanten des topologischen Isolators bewegten. Ein Mitglied jedes Paares wurde vom Weg abgelenkt, so dass die Forscher den Fluss der einzelnen Quasiteilchen, die ihre Reise fortsetzten, leicht messen konnten. Wie die Elektronen setzten sieverringerte sich, stoppte und änderte die Richtung - aber in "Schritten" von genau der halben Höhe der "Schritte", die die Elektronen vorlegten.

Diese "halben Schritte" waren die heißen Beweise (oder "unbestrittenen Beweise" oder " Smokingkanone" ), nach denen die Forscher suchten.

Die Ergebnisse dieser Forschung werden wahrscheinlich keine Auswirkungen auf die Bemühungen haben, zu bestimmen, ob das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist, sagte der Physikprofessor der Stanford University, Giorgio Gratta, der eine wichtige Rolle bei der Konzeption und Planung des EXO-200-Observatoriums spielte.

"Die beobachteten Quasiteilchen sind im Wesentlichen Anregungen in einem Material, das sich wie Majorana-Teilchen verhält", sagt Gratta, "aber sie sind keine Elementarteilchen und werden sehr künstlich in einem speziell präparierten Material erzeugt. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass sie im Universum vorkommen, aber wer können wir das schon sagen? Andererseits sind Neutrinos überallWenn es sich dabei um Majorana-Teilchen handelt, würden wir zeigen, dass die Natur diese Art von Teilchen nicht nur möglich gemacht hat, sondern das Universum buchstäblich mit ihnen gefüllt hat."

Er fügte hinzu: "Am interessantesten ist, dass sich Analogien in der Physik als sehr mächtig erwiesen haben. Und obwohl es sich um sehr unterschiedliche Tiere, unterschiedliche Prozesse handelt, können wir vielleicht das eine nutzen, um das andere zu verstehen. Vielleicht können wir etwas entdecken, das auch für uns interessant ist."

Engelsteilchen

In Zukunft, so Zhang, könnten Majorana-Fermionen dazu verwendet werden, robuste Quantencomputer zu bauen, die nicht durch "Umgebungsrauschen" (Umweltinterferenzen) gestört werden, was bisher ein großes Hindernis für die Entwicklung solcher Geräte war. Da jedes Majorana-Fermion im Wesentlichen die Hälfte eines subatomaren Teilchens ist, kann ein einzelnes Qubit Die Information könnte in zwei völlig getrennten Majorana-Fermionen gespeichert werden, was die Wahrscheinlichkeit verringert, dass sie durch irgendetwas gleichzeitig gestört werden und ihre Information verlieren.

Vorerst schlägt er einen Namen für das von seinem Team entdeckte chirale Majorana-Fermion vor: das "Engel-Teilchen", in Anlehnung an den Bestseller-Roman der 2000er Jahre "Engel und Dämonen" von Dan Brown, in dem eine geheime Bruderschaft plant, den Vatikan mit einer Zeitbombe in die Luft zu jagen, deren Sprengkraft aus der Vernichtung von Materie und Antimaterie resultiert. Anders als im BuchIn der Quantenwelt des Majorana-Fermions gibt es nur Engel - keine Dämonen. Quellen ;

CHUI, Glennda: "An experiment proposed by Stanford theorists finds evidence for the Majorana fermion, a particle that's its own antiparticle", Stanford News, 2017.

Zugriff am 27/0/2017;

IRVING, Michael: "Scientists discover 'angel particle' that is its own antiparticle", 2017, New Atlas, Zugriff am 27.0.2017;

CONOVER, Emily. "Majorana fermion detected in a quantum layer cake", 2017, Science News. Zugriff am 27.0.2017;

O'CALLAGHAN, Jonthan: "Researchers Discover "Angel Particle" Which Is Both Matter And Antimatter At The Same Time" Accessed 27/0/2017.