ค้นพบ: อนุภาคและปฏิปักษ์ในเวลาเดียวกัน

เป็นครั้งแรกที่นักฟิสิกส์แสดงให้เห็นถึง Majorana fermion ซึ่งถูกกล่าวอ้างเมื่อเกือบ 80 ปีที่แล้ว

Majorana Fermions ทำงานอย่างไร© Princeton University
อ่านออกเสียง

ตรวจพบอนุภาค "Impossible": เป็นครั้งแรกที่นักฟิสิกส์ได้ตรวจพบอนุภาคที่เป็นปฏิปักษ์ของตัวเอง เรื่องนี้ฟังดูขัดแย้ง แต่ Majorana fermions ตามปรกติสันนิษฐานอาจเป็นพื้นฐานของสสารมืด หลักฐานใน nanowire ยิ่งยวดเหล็กเปิดโอกาสใหม่ที่สมบูรณ์สำหรับการตรวจสอบรูปร่างของอนุภาคที่แปลกใหม่นี้ตามที่นักวิจัยรายงานในวารสาร "วิทยาศาสตร์"

Majorana Fermions ทำงานอย่างไร© Princeton University

โดยปกติอนุภาคเป็นสสารหรือปฏิสสาร ทั้งสองอย่างเป็นไปไม่ได้ในเวลาเดียวกันเพราะทั้งคู่ดับกันและกันระหว่างการติดต่อ - อย่างน้อยนั่นคือสิ่งที่เราคิดกันมานาน แต่ในปี 1937 นักฟิสิกส์ชาวอิตาเลียน Ettore Majorana อ้างถึงสิ่งที่ตรงกันข้าม: จากการคำนวณทางทฤษฎีของเขาภายใต้เงื่อนไขบางประการอาจมีอนุภาคที่มีทั้งสสารและปฏิสสาร

ในปี 2001 นักฟิสิกส์ Alexei Kitaev ระบุเงื่อนไขเหล่านี้ ดังนั้น Majorana fermion สามารถปรากฏที่ปลายทั้งสองของลวดตัวนำยิ่งยวด แม้ว่าอนุภาคทั้งสองนี้จะดับได้เมื่อพวกมันสัมผัสกัน แต่ก็มีความเสถียรเพราะแยกออกจากกัน จนถึงทฤษฎี อย่างไรก็ตามหลักฐานของอนุภาคเหล่านี้ในความเป็นจริงถูกเลื่อนออกไป - จนถึงปัจจุบัน

เหล็ก nanowire บนเตียงตะกั่ว

เพื่อพิสูจน์หลักฐานของพวกเขา Stevan Nadj-Perge แห่งมหาวิทยาลัยปรินซ์ตันและเพื่อนร่วมงานของเขาได้ใช้กล้องจุลทรรศน์การขุดอุโมงค์การสแกนที่แยกการสั่นสะเทือนแบบพิเศษซึ่งครอบคลุมพื้นที่สองชั้น ในการสร้าง Majorana fermion นักวิจัยเริ่มต้นด้วยคริสตัลตะกั่วบริสุทธิ์บริสุทธิ์ซึ่งอะตอมถูกจัดเรียงตามธรรมชาติในซี่โครงปกติ ในหนึ่งในซี่โครงเหล่านี้นักฟิสิกส์ได้ทำการฝากนาโนอะตอมเหล็กไว้เพียงหนึ่งอะตอมที่มีความกว้างและหนาสามอะตอม

การรวมกันของ nanowire ferromagnetic นี้กับ superconductor ถือเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับการก่อตัวของ Majorana fermions อย่างไรก็ตามในเวลาเดียวกันมันเป็นเรื่องยากมากที่จะรวมแม่เหล็กและความเป็นตัวนำยิ่งยวดให้เสถียร หลังจากนำตัวอย่างนี้ไปใช้ในกล้องจุลทรรศน์การขุดอุโมงค์นักวิจัยทำการทำให้เย็นลงถึงลบ 272 องศาเซลเซียส เพียงหนึ่งองศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ สิ่งนี้ทำให้วัสดุยิ่งยวดและสปินของพวกเขามีปฏิสัมพันธ์ แสดงผล

ยอดบก

เมื่อทำการสแกน nanowire ด้วยปลายกล้องจุลทรรศน์การขุดอุโมงค์นักฟิสิกส์ได้ทำการบันทึกสองยอดเขาหนึ่งจุดที่ปลายแต่ละด้าน "นี่คือลายเซ็นสำคัญ" Ali Yazdani ผู้เขียนอาวุโสแห่งมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันกล่าว ถ้าคุณไม่มีสิ่งนั้นสัญญาณก็สามารถย้อนกลับไปหาสาเหตุอื่น ๆ ได้ทุกประเภท

อย่างไรก็ตามการตรวจสอบเพิ่มเติมกับยอดเขาที่แตกต่างกันได้แสดงให้เห็นว่ายอดเขาเหล่านี้ในคุณสมบัติทั้งหมดสอดคล้องกับ Majorana และ Kitaev ทำนายอนุภาคสสารแอนทายแมทเทอร์คือ Majorana fermions "เราได้ตรวจสอบและยืนยันการสังเกตเหล่านี้ในตอนท้ายของสิบโซ่เตรียมสดใหม่พร้อมด้วยเคล็ดลับที่แตกต่างกันและในการทดสอบที่แตกต่างกัน" Nadj-Perge และเพื่อนร่วมงานของเขารายงาน

คำอธิบายสำหรับ Dark Matter และ Neutrinos?

นี่ไม่เพียง แต่เป็นหลักฐานโดยตรงแรกที่ว่าอนุภาคสามารถมีอยู่ได้ซึ่งเป็นปฏิสสารและสสารในเวลาเดียวกัน การพิสูจน์ยังเปิดโอกาสที่มีคุณค่าสำหรับการวิจัยเพื่อตรวจสอบคุณสมบัติของ Majorana fermions ในรายละเอียดมากขึ้นและเพื่อให้ได้รับข้อมูลเกี่ยวกับปริศนาที่ไม่คลี่คลายหลายฟิสิกส์:

ตัวอย่างเช่นมีความเชื่อกันว่าสสารมืดอาจประกอบด้วย Majorana fermions เนื่องจากพวกเขารวมคุณสมบัติที่ขัดแย้งกันพวกมันเป็นกลางอย่างมากกับภายนอกและแทบไม่โต้ตอบกับสภาพแวดล้อมของพวกเขา อย่างไรก็ตามคุณสมบัติเหล่านี้ถูกกล่าวว่าเป็นจริงสำหรับสสารมืดและนิวตริโนหลังจากอนุภาคมูลฐาน which ซึ่งผลิตโดยกระบวนการสลายตัวในอวกาศและในหินของโลก

ข้อดีอีกอย่างของการทดลองคือ Majoranas สามารถผลิตได้ในวัสดุที่เป็นไปได้ทั้งหมด “ สิ่งที่น่าตื่นเต้นคือมันง่ายมากเพียงแค่ตะกั่วและเหล็ก” Yazdani กล่าว นักวิจัยคาดหวังว่าด้วยวิธีการของพวกเขา Majorana fermions สามารถเกิดขึ้นได้จากวัสดุอื่น ๆ อีกมากมาย (วิทยาศาสตร์, 2014; ดอย: 10.1126 / วิทยาศาสตร์ 1999327)

(มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน, 06.10.2014 - NPO)