Но в 1937, другой блестящий физик, Этторе Майорана, ввел новый поворот: Он предсказал, что в классе частиц, известных как фермионы, который включает протон, нейтрон, электрон, нейтрино и кварк, должны быть частицы, которые являются их собственными античастицами.Теперь команда включая Стэнфордских ученых заявляет, что она нашла первое убедительное доказательство такого фермиона Majorana. Это было обнаружено в ряде экспериментов лаборатории на экзотических материалах в Калифорнийском университете в сотрудничестве со Стэнфордским университетом.
Команда была во главе с Адъюнкт-профессором UC-Irvine Цзин Ся и профессором Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Кангом Ваном, и следовала плану, предложенному Шоучэн Чжаном, преподавателем физики в Стэнфорде и коллег. Команда сообщила о результатах 20 июля в Науке.«Наша команда предсказала точно, где найти фермион Majorana и что искать как его ‘дымящееся оружие’ экспериментальная подпись», сказал Чжан, теоретический физик и один из ведущих авторов научно-исследовательской работы. «Это открытие завершает один из самых интенсивных поисков в фундаментальной физике, которая охватила точно 80 лет».
Хотя поиск известного фермиона кажется более интеллектуальным, чем практичный, он добавил, это могло иметь реальные последствия для строительства надежных квантовых компьютеров, хотя это по общему признанию далеко в будущем.Конкретный тип фермиона Majorana, который наблюдала исследовательская группа, известен как «chiral» фермион, потому что это проходит одномерный путь во всего одном направлении. В то время как эксперименты, которые произвели его, было чрезвычайно трудно задумать, настроить и выполнить, сигнал, который они произвели, был ясен и однозначен, сказали исследователи.«Это исследование достигает высшей точки преследование много лет, чтобы найти chiral фермионы Majorana.
Это будет ориентир в области», сказал Том Деверо, директор Стэнфордского Института Материалов и энергетических Наук (SIMES) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, где Чжан – научный руководитель.«Это, действительно кажется, действительно чистое наблюдение за чем-то новым», сказал Франк Вилкзек, теоретический физик и нобелевский лауреат в Массачусетском технологическом институте, который не был вовлечен в исследование. «Это не существенно удивительно, потому что физики думали в течение долгого времени, что фермионы Majorana могли проистекать из типов материалов, используемых в этом эксперименте.
Но они соединяют несколько элементов, которые никогда не соединялись прежде, и технические вещи, таким образом, этот новый вид квантовой частицы может наблюдаться чистым, прочным способом, реальный этап».Поиск ‘квазичастиц’Предсказание Мэджораны применилось только к фермионам, которые имеют бесплатно, как нейтрон и нейтрино. Ученые с тех пор нашли античастицу для нейтрона, но у них есть серьезные основания полагать, что нейтрино могло быть своей собственной античастицей, и есть четыре эксперимента в стадии реализации, чтобы узнать – включая EXO-200, последнее воплощение Обогащенной Ксеноновой Обсерватории, в Нью-Мексико.
Но эти эксперименты чрезвычайно трудные и, как ожидают, не создадут ответ в течение приблизительно десятилетия.Приблизительно 10 лет назад ученые поняли, что фермионы Majorana могли бы также быть созданы в экспериментах, которые исследуют физику материалов – и гонка шла, чтобы заставить это произойти.Что они искали, «квазичастицы» – подобные частице возбуждения, которые проистекают из коллективного поведения электронов в материалах сверхпроводимости, которые проводят электричество с 100-процентной эффективностью.
Процесс, который дает начало этим квазичастицам, сродни способу, которым энергия превращается в недолгие «виртуальные» частицы и назад в энергию снова в космическом вакууме, согласно известному уравнению Эйнштейна E = mc2. В то время как квазичастицы не похожи на найденные в природе частицы, их, тем не менее, считали бы реальными фермионами Majorana.За прошлые пять лет ученые имели некоторый успех с этим подходом, сообщая, что они видели многообещающие подписи фермиона Majorana в экспериментах, включающих нанопроводы сверхпроводимости.Но в тех случаях квазичастицы были «связаны» – прикрепленный к одному конкретному месту, вместо того, чтобы размножиться в пространстве и времени – и было трудно сказать, способствовали ли другие эффекты исследователям сигналов, видел, сказал Чжан.
‘Дымящееся оружие’В последних экспериментах в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и UC-Irvine, команда сложила тонкие пленки двух квантовых материалов – сверхпроводника и магнитного топологического изолятора – и послала электрический ток через них, вся внутренняя часть охлажденная вакуумная палата.
Главный фильм был сверхпроводником. Основание каждый был топологическим изолятором, который проводит ток только вдоль его поверхности или краев, но не в течение его середины.
Соединение их создало сверхпроводимость топологический изолятор, где почтовый индекс электронов вдоль двух краев поверхности материала без сопротивления, как автомобили на супермагистрали.Это была идея Чжана щипнуть топологический изолятор, добавляя небольшое количество магнитного материала к нему.
Это заставило электроны течь один путь вдоль одного края поверхности и противоположный путь вдоль противоположного края.Тогда исследователи охватили магнит по стеку. Это сделало поток электронов медленным, остановите и переключите направление. Эти изменения не были гладкими, но произошли в резких шагах, как идентичная лестница в лестнице.
В определенные моменты в этом цикле квазичастицы Majorana появились, возникнув в парах из слоя сверхпроводимости и путешествуя вдоль краев топологического изолятора, как электроны сделали. Один член каждой пары был отклонен из пути, позволив исследователям легко измерить поток отдельных квазичастиц, которые продолжали вырываться вперед.
Как электроны, они замедлили, остановили и изменили направление – но в шагах, точно вдвое менее высоких, чем те, электроны взяли.Эти полушаги были курящими доказательствами оружия, которые искали исследователи.Результаты этих экспериментов вряд ли будут иметь любой эффект на усилия определить, является ли нейтрино своей собственной античастицей, сказал профессор физики Стэнфорда Джорджо Гратта, который играл главную роль в проектировании и планировании EXO-200.«Квазичастицы, которые они наблюдали, являются по существу возбуждениями в материале, которые ведут себя как частицы Majorana», сказал Грэтта. «Но они не элементарные частицы, и они сделаны очень искусственным способом в очень специально подготовленном материале.
Очень маловероятно, что они происходят во вселенной, хотя, кого мы должны сказать? С другой стороны, нейтрино везде, и если бы они, как находят, являются частицами Majorana, мы показали бы, что природа не только сделала этот вид частиц возможным, но и, на самом деле, буквально заполнила вселенную ими».
Он добавил, «Где это становится более интересным, то, что аналогии в физике оказались очень сильными. И даже если они – совсем другие звери, различные процессы, возможно мы можем использовать, чтобы понять другой. Возможно, мы обнаружим что-то, что интересно для нас, также».
Частица ангелаДалеко в будущем, Чжан сказал, фермионы Majorana могли использоваться, чтобы построить надежные квантовые компьютеры, которые не отброшены экологическим шумом, который был большим препятствием их развитию. Так как каждый Majorana – по существу половина субатомной частицы, единственный кубит информации мог быть сохранен в двух широко отделенных фермионах Majorana, уменьшив шанс, что что-то могло встревожить их обоих сразу и заставить их потерять информацию, которую они несут.На данный момент он предлагает название chiral фермиона Majorana его обнаруженная команда: «частица ангела», в отношении пользующегося спросом триллера 2000 года «Ангелы и Демоны», в которых секретное братство составляет заговор, чтобы взорвать Ватикан бомбой замедленного действия, взрывная сила которой прибывает из уничтожения антивещества вопроса.
В отличие от этого, в книге, он отметил, в квантовом мире фермиона Majorana есть только ангелы – никакие демоны.Видео, показывающее второстепенную теорию: https://www.youtube.com/watch? v=sbJSAOngiGI