Svaka temeljna čestica u svemiru ima antičesticu, koja ima istu masu, ali suprotni naboj. Kad bi se čestica susrela sa svojom antičesticom, njih dvije bi se međusobno uništile u bljesku energije. Ali dugo se teoretiziralo da postoji iznimka od pravila, s određenim česticama koje su zapravo vlastite antičestice.

Sada su znanstvenici sa Sveučilišta Stanford i Sveučilišta Kalifornija (UC) otkrili prve jake dokaz za ovu vrstu čestica, onu koju su nazvali " anđeoska čestica" . Tim znanstvenika sa Stanforda i UC-a kaže da je pronašao prve čvrste dokaze o postojanju takvog Majorana fermiona. Otkriveno je u nizu laboratorijskih eksperimenata na egzotičnim materijalima na Sveučilištu Kalifornija (UC) u suradnji sa Sveučilištem Stanford. Tim su predvodili izvanredni profesor Jing Xia s UC-Irvainea i profesor Kang Wang s Kalifornijskog sveučilišta u Los Angelesu (UCLA), a slijedili su plan koji su predložili Shoucheng Zhang, profesor fizike na Stanfordu, i kolege. Tim je izvijestio o rezultatima u radu objavljenom u Science .

Teorija datira iz 1937. godine, kada je talijanski fizičar Ettore Majorana istaknuo prazninu u fermionskoj obitelji čestica. Protoni, elektroni, neutroni, neutrini i kvarkovi su svi fermioni i svi imaju antičestične parnjake, ali premavrlo umjetnom obliku u posebno pripremljenom materijalu. Malo je vjerojatno da se oni pojavljuju u svemiru, iako tko smo mi da to kažemo? S druge strane, neutrini su posvuda, a ako su Majorana čestice, pokazali bismo da je priroda ne samo omogućila takve čestice, već je doslovno ispunila svemir njima."

Dodao je: "Tamo gdje postaje najzanimljivije jest da su se analogije u fizici pokazale vrlo moćnima. I iako su vrlo različite zvijeri, različiti procesi, možda možemo upotrijebiti jedno da razumijemo drugo. Možda možemo otkriti nešto što je zanimljivo i za nas."

Anđeoska čestica

U budućnosti, rekao je Zhang, Majorana fermioni mogli bi se koristiti za izgradnju robusnih kvantnih računala koja ne ometaju "buka" iz okoliša (ometanje okoliša), što je bila glavna prepreka razvoju ove opreme. Budući da je svaka Majorana u biti pola subatomske čestice, jedan qubit informacija mogao bi biti pohranjen u dva potpuno odvojena Majorana fermiona, smanjujući mogućnost da bi ih nešto moglo poremetiti odjednom i učiniti da izgube informacije koje nose.

Za sada, on predlaže naziv za Majorana kiralni fermion, koji je njegov tim otkrio: "čestica anđela", u odnosu na višenajprodavaniji triler 2000-ih: “Anđeli i demoni” Dana Browna. U romanu tajno bratstvo planira raznijeti Vatikan tempiranom bombom, čija eksplozivna snaga dolazi od uništenja materije i antimaterije. Za razliku od knjige, primijetio je, u Majoraninom fermionskom kvantnom svijetu postoje samo anđeli - nema demona. Izvori ;

CHUI, Glennda. “Eksperiment koji su predložili teoretičari sa Stanforda pronalazi dokaz za Majorana fermion, česticu koja je vlastita antičestica”, Stanford News, 2017.

Pristupljeno 27.0.2017.;

IRVING, Michael. “Znanstvenici otkrivaju ‘česticu anđela’ koja je vlastita antičestica”, 2017., New Atlas. Pristupljeno 27.00.2017.;

CONOVER, Emily. “Majorana fermion otkriven u kvantnom slojevitom kolaču”, 2017., Science News. Pristupljeno 27.00.2017.;

O’CALLAGHAN, Jonthan. “Istraživači otkrili “anđeosku česticu” koja je i materija i antimaterija u isto vrijeme” Pristupljeno 27.00.2017.

Budući da nemaju naboj, neutroni i neutrini bili su najbolji kandidati da budu ti Majoranini fermioni, ali antineutroni su otkriveni. Još uvijek postoji veliki upitnik oko neutrina, a trenutno su u tijeku eksperimenti kako bi se utvrdilo jesu li oni zapravo vlastita antičestica. Međutim, težina eksperimenata implicira da je odgovor još uvijek udaljen od nas više od desetljeća.

U međuvremenu, najvjerojatniji način da se pronađu Majoranini fermioni je traženje "kvazičestica". Kao što ime sugerira, to nisu baš prirodne čestice, već proizlaze iz kolektivnog ponašanja elektrona i imaju određena svojstva čestica. Ako je ovo teško vizualizirati, Enciklopedija Britannica objašnjava koncept poput mjehurića u piću: mjehurići također nastaju zbog "kolektivnog ponašanja" kemikalija u piću, i iako nisu stvarno neovisni objekti, mjehurići imaju mjerljiva svojstva poput stvarnih objekata, uključujući veličinu, oblik itd.

Isto tako, kvazi-čestice se možda neće pojaviti izvan vrlo specifičnih uvjeta, ali se mogu smatrati Majoraninim fermionima ako pokazuju sva ispravna svojstva. Sada,istraživači sa Stanforda i Sveučilišta u Kaliforniji rekli su da su pronašli " neosporan potpis" (ili "neosporan dokaz" ili " puška", izraz koji se često pojavljivao u medijima o otkriće) koje ukazuje na prisutnost ovih hipotetskih fermiona.

“Naš tim točno je predvidio gdje pronaći Majorana fermion i što tražiti kao njegov eksperimentalni potpis ' neosporivog dokaza'” , kaže Shoucheng Zhang, jedan od vodećih autora istraživačkog rada. “Ovim otkrićem zaključuje se jedno od najintenzivnijih istraživanja u fundamentalnoj fizici, koje je trajalo točno 80 godina.”

Kako bi se ove osebujne kvazičestice pokazale, tim je pažljivo konstruirao svoje vrlo specifično “piće” (kao u uvjeti tekućine koja proizvodi mjehuriće), sastavljen od tankih filmova dvaju kvantnih materijala naslaganih jedan na drugi. Krajnji rezultat je supravodljivi topološki izolator, koji omogućuje elektronima da se brzo kreću duž rubova površine materijala, ali ne i kroz sredinu. Dodavanjem malo magnetskog materijala u mješavinu, elektroni teku u jednom smjeru duž jednog ruba, a u suprotnom smjeru duž drugog.

Istraživači su zatim rasporedili magnet po materijalu, što je uzrokovalo usporavanje svih elektrona , zaustavite se i promijenite smjer. Preokret se dogodio u aiznenadan i teturav pokret koji tim uspoređuje s koracima na ljestvama. Kvazičestice su počele izlaziti iz materijala u parovima, putujući istim putem kao i elektroni, ali postojala je fundamentalna razlika: kada su se zaustavile i promijenile svoje kretanje, učinile su to u "koracima" točno u polovici elektrona. To je zato što je svaka u biti samo pola čestice, budući da se jedna od svakog para kvazičestica izgubi na putu. I upravo je ovaj fenomen bio dokaz koji su istraživači tražili.

Zhang je predložio da se otkriće tima nazove "čestica anđela" u odnosu na roman Dana Browna Anđeli i demoni, koji prikazuje bombu s pogonom pri susretu s materije i antimaterije. Dugoročno gledano, Majorana fermioni mogli bi pronaći praktičnu primjenu u stvaranju sigurnijih kvantnih računala.

Istraživanje

1928., fizičar Paul Dirac iznio je zapanjujuće predviđanje da su sve fundamentalne čestice svemira imaju antičesticu — to jest, identičnu, ali suprotno nabijenu česticu blizanku (električni naboji čestica i antičestica i njihov kutni moment imaju iste apsolutne vrijednosti kao njihovi simetrični dvojnici, međutim, elektromagnetska polja su suprotnih predznaka).

Kada se čestica i antičestica sretnu, one suanihilirati, oslobađajući određenu količinu energije. Nekoliko godina kasnije, otkrivena je prva čestica antimaterije — suprotnost elektronu, pozitron — i antimaterija je brzo postala dio popularne kulture.

Materija + Antimaterija = Energija. Kada se čestica materije sudari sa svojom antimaterijom, obje se pretvaraju u čistu energiju, proporcionalnu utrošenoj masi, generirajući energiju prema E=mc².

Ali 1937., briljantni fizičar, Ettore Majorana, predstavio je twist: predvidio je da bi u klasi čestica poznatih kao fermioni, koja uključuje proton, neutron, elektron, neutrino i kvark, trebale postojati čestice koje su vlastite antičestice.

“Naš tim točno je predvidio gdje pronaći fermion Majorane i što tražiti kao njegov "neosporni potpis" eksperimentalni potpis, rekao je Zhang, teorijski fizičar i glavni autor istraživačkog rada. "Ovim otkrićem zaključuje se jedno od najintenzivnijih istraživanja u fundamentalnoj fizici, koje je trajalo točno 80 godina."

Dok se čini da je potraga za slavnim fermionom više intelektualna nego praktična, dodao je, mogla bi imati implikacije u stvarnom životu robusnih kvantnih računala, iako je to doduše daleka budućnost.

Određena vrsta Majorana fermiona, istaknuo je istraživački tim, poznata je kao "kiralni" fermionjer se kreće po jednodimenzionalnoj putanji samo u jednom smjeru. Iako je eksperimente koji su ga proizveli bilo iznimno teško dizajnirati, konfigurirati i izvesti, dokazi koje su proizveli bili su jasni i nedvosmisleni, rekli su istraživači.

“Ovo istraživanje kulminira višegodišnju potragu za pronalaskom Majorana kiralnih fermiona. To će biti prekretnica u ovom području,” rekao je Tom Devereaux, direktor Stanfordskog instituta za materijale i energetske znanosti (SIMES) u Nacionalnom akceleratorskom laboratoriju SLAC, gdje je Zhang glavni istraživač.

“Čini se da je stvarno jasno opažanje nečeg novog.”, rekao je Frank Wilczek, teorijski fizičar i dobitnik Nobelove nagrade na Massachusetts Institute of Technology (MIT), koji nije bio uključen u studiju. “To nije fundamentalno iznenađujuće, jer su fizičari dugo mislili da Majorana fermioni mogu proizaći iz vrsta materijala korištenih u ovom eksperimentu. Ali spojili su nekoliko elemenata koji nikada prije nisu bili prikupljeni, kao i inženjering koji stoji iza toga, to je prava prekretnica koja je omogućila da se ova nova vrsta kvantne čestice može promatrati na jasan i robustan način.”

Traženje “kvazičestica”

Majoranino predviđanje odnosilo se samo na fermione koji nemaju naboj, kao što su neutron i neutrino. Znanstvenici su već pronašli antičesticu za neutron, ali imaju dobrurazloga za vjerovanje da bi neutrino mogao biti vlastita antičestica, au tijeku su četiri eksperimenta da se to otkrije — uključujući EXO-200, posljednju generaciju Obogaćenog ksenonskog opservatorija (EXO), Obogaćenog ksenonskog opservatorija koji je u Novom Meksiku. Ali ti su eksperimenti iznimno teški i ne očekuje se da će dati odgovor za manje od desetak godina.

Prije desetak godina znanstvenici su shvatili da se Majoranini fermioni također mogu stvoriti u eksperimentima koji istražuju fiziku materijala — i nastoji se to ostvariti.

Ono što traže su "kvazičestice" — česticama slični ekscitanti koji proizlaze iz zajedničkog ponašanja elektrona u supravodljivim materijalima, koji provode elektricitet sa 100-postotnom učinkovitošću ( čitaj članak Ciência Hoje o kvazičesticama ). Proces koji dovodi do nastanka ovih kvazi-čestica sličan je načinu na koji se energija pretvara, u vakuumu svemira, u kratkotrajne "virtualne" čestice i ponovno u energiju, prema Einsteinovoj poznatoj jednadžbi E = mc². Iako kvazi-čestice nisu poput čestica koje se nalaze u prirodi, one bi se ipak mogle smatrati pravim Majoraninim fermionima.

Tijekom posljednjih pet godina znanstvenici su postigli određeni uspjeh s ovim pristupom,izvještavajući da su vidjeli obećavajuće Majorana fermionske potpise u eksperimentima sa supravodljivim nanožicama.

Ali u tim slučajevima, kvazi-čestice su bile "zatvorene" - zarobljene na određenom mjestu, umjesto da se šire kroz prostor i vrijeme - i bilo je teško kako bi se utvrdilo jesu li drugi učinci pridonijeli signalima koje su istraživači vidjeli, prema Zhangu.

Smoking gun – vrući test

U najnovijim eksperimentima na UCLA i UC-Irvine, slijedeći plan predložen od strane Stanforda Tim sveučilišnih istraživača složio je tanke filmove dvaju kvantnih materijala — supravodiča i topološkog magnetskog izolatora — i kroz njih pustio električnu struju, sve unutar ledene vakuumske komore.

O gornji film bio je supravodič. Donji je bio topološki izolator, koji djeluje samo duž njegove površine ili rubova, ali ne i preko sredine. Njihovim spajanjem stvoren je supravodljivi topološki izolator, gdje elektroni klize duž dva ruba površine materijala bez otpora, poput automobila na autocesti.

Zhangova je ideja bila podesiti topološki izolator, dodajući malu količinu magnetski materijal za njega. To je uzrokovalo strujanje elektrona u jednom smjeru duž jednog ruba površine i u suprotnom smjeru duž drugog ruba.

Istraživači su prolazili magnetom okolopreko hrpe. To je uzrokovalo usporavanje, zaustavljanje i promjenu smjera protoka elektrona. Te promjene nisu bile glatke, već su se događale u naglim koracima, poput "identičnih prečki na ljestvama."

U određenim točkama u ovom ciklusu pojavile su se kvazičestice Majorane, izlazeći u parovima iz supravodljivog sloja i putujući duž rubova topološkog izolatora baš kao što su to učinili elektroni. Jedan član svakog para bio je izbačen s puta, što je omogućilo istraživačima da lako mjere protok pojedinačnih kvazičestica dok su nastavljale svoje putovanje. Poput elektrona, usporili su, zaustavili se i promijenili smjer—ali s "koracima" visokim točno pola "koraka" koje su elektroni predstavljali.

Ti "koraci na pola" bili su vrući dokaz (ili "čvrsti dokaz") . ” ili “ smoking gun” ) koje su istraživači tražili.

Rezultati tog istraživanja vjerojatno neće imati nikakvog utjecaja na napore da se utvrdi je li neutrino vlastita antičestica, rekao je profesor na Sveučilištu Stanford, fizičar Giorgio Gratta, koji je igrao glavnu ulogu u dizajnu i planiranju zvjezdarnice EXO-200.

"Kvazičestice koje su promatrali u biti su pobuđenja u materijalu koji se ponaša kao Majorana čestice", rekao je Gratta. “Ali oni nisu elementarne čestice i napravljeni su od