Случай неуловимой майораны: так называемая «частица ангела» до сих пор остается загадкой

Согласно новому исследованию, сообщение об обнаружении особого вида майорановского фермиона в 2017 году — хирального майорановского фермиона, называемого «частицей ангела», — вероятно, является ложной тревогой. Майорановские фермионы являются загадочными частицами, которые действуют как их собственные античастицы и впервые были предположены к существованию в 1937 году. Они представляют огромный интерес для физиков, потому что их уникальные свойства могут позволить их использовать при построении топологического квантового компьютера.

Команда физиков из штата Пенн и Университета Вюрцбурга в Германии под руководством Куй-Цзу Чанга, доцента кафедры физики в штате Пенн, изучила более трех десятков устройств, похожих на тот, который использовался для получения частицы ангела в отчете за 2017 год. Они обнаружили, что особенность, которая, как утверждается, является проявлением частицы ангела, вряд ли будет вызвана существованием частицы ангела. Статья, описывающая исследование, появляется 3 января 2020 года в журнале Science .

«Когда итальянский физик Этторе Майорана предсказал возможность создания новой фундаментальной частицы, которая является ее собственной античастицей, он мало что мог предположить о долгосрочных последствиях своей творческой идеи», — сказал Нитин Самарт, глава департамента Даунсбро и профессор физики в Пенне. Состояние. «Спустя 80 лет после предсказания Майораны физики продолжают активно искать сигнатуры все еще неуловимого« майорановского фермиона »в различных уголках вселенной».

В одном из таких усилий физики элементарных частиц используют подземные обсерватории, которые пытаются доказать, может ли подобная призраку частица, известная как нейтрино — субатомная частица, которая редко взаимодействует с веществом, — быть майорановским фермионом. На совершенно ином фронте физики конденсированного состояния стремятся обнаружить проявления физики Майорана в твердотельных устройствах, которые комбинируют экзотические квантовые материалы со сверхпроводниками. В таких устройствах электроны теоретизируются так, чтобы одеваться как майорановские фермионы путем сшивания ткани, построенной из основных аспектов квантовой механики, релятивистской физики и топологии. Эта аналогичная версия майорановских фермионов особенно привлекла внимание физиков конденсированного состояния, поскольку она может обеспечить путь для создания «топологического квантового компьютера».

«Важным первым шагом на пути к этой далекой мечте о создании топологического квантового компьютера является демонстрация окончательного экспериментального доказательства существования майорановских фермионов в конденсированной среде», — сказал Чанг. «За последние семь или около того лет несколько экспериментов утверждали, что показывают такие доказательства, но интерпретация этих экспериментов все еще обсуждается».

Команда исследовала устройства, изготовленные из квантового материала, известного как «квантовый аномальный холловский изолятор», в котором электрический ток течет только по краю. Недавнее исследование предсказало, что когда граничный ток находится в чистом контакте со сверхпроводником, создаются распространяющиеся киральные майорановские фермионы, и электрическая проводимость устройства должна быть «полуквантована» (значение e2 / 2h, где «e» — это заряд электрона и «h» — постоянная Планка), когда подвергается точному магнитному полю. Команда Penn State-Wurzburg изучила более трех десятков устройств с несколькими различными конфигурациями материалов и обнаружила, что устройства с чистым сверхпроводящим контактом всегда показывают полуквантованное значение независимо от условий магнитного поля.

«Тот факт, что две лаборатории — в штате Пенн и в Вюрцбурге — нашли совершенно непротиворечивые результаты с использованием широкого спектра конфигураций устройств, вызывает серьезные сомнения в обоснованности теоретически предложенной экспериментальной геометрии и ставит под сомнение утверждение 2017 года о наблюдении частицы ангела, «сказал Моисей Чан, заслуженный профессор физики даже Пью в штате Пенсильвания.

«Я по-прежнему оптимистичен в отношении того, что комбинация квантовых аномальных холловских изоляторов и сверхпроводимости является привлекательной схемой для реализации хиральных майоранов», — сказал Мортеза Кайялья, научный сотрудник в Penn State, который выполнил изготовление и измерения устройства. «Но наши коллеги-теоретики должны пересмотреть геометрию устройства».

«Это отличная иллюстрация того, как наука должна работать», — сказал Самарт. «Необыкновенные утверждения об обнаружении должны быть тщательно изучены и воспроизведены. Все наши постдоки и студенты действительно усердно работали, чтобы убедиться, что они провели очень строгие проверки предыдущих утверждений. Мы также следим за тем, чтобы все наши данные и методы были общими. прозрачно с сообществом, чтобы заинтересованные коллеги могли критически оценить наши результаты ».

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Penn State . Примечание: содержимое может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Мортеза Кайялха, Ди Сяо, Руокси Чжан, Джахо Шин, Цзю Цзян, Фэй Ван, И-Фань Чжао, Ран Сяо, Лин Чжан, Кайетан М. Фиялковски, Панкадж Мандал, Мартин Виннерлайн, Чарльз Гулд, Ки Ли, Лоренс В. Моленкамп , Моисей Х.В. Чан, Нитин Самарт, Цуй-Зу Чанг. Отсутствие доказательств наличия киральных мод Майорана в квантовых аномальных приборах Холла-Сверхпроводника . Наука , 2020; 367 (6473): 64 DOI: 10,1126 / science.aax6361