חוקרים ביפן ובקוריאה טוענים שמצאו "הוכחות חותכות" לקיומם של חלקיקים מוצעים תיאורטית הנקראים פרמיוני מיורנה. העדויות לחלקיקים המבוקשים הללו הופיעו בהתנהגות התרמודינמית של מה שנקרא מגנט Kitaev, והחוקרים אומרים שלא ניתן להסביר את התצפיות שלהם על ידי תיאוריות חלופיות.

פרמיוני מיורנה נקראים על שם הפיזיקאי האיטלקי אטורה מיורנה, אשר חזה את קיומם בשנת 1937. חלקיקים אלו יוצאי דופן בכך שהם אנטי-חלקיקים של עצמם, ובתחילת שנות ה-2000, הפיזיקאי התיאורטי אלכסיי קיטאיב חזה שהם יכולים להתקיים בצורה של קוואזי-חלקיקים המורכבים משני אלקטרונים מזווגים.

קוואזי-חלקיקים אלו ידועים בתור כלונים שאינם אבלים, ואחת האטרקציות העיקריות שלהם היא שהם עמידים בפני הפרעות חיצוניות. באופן ספציפי, Kitaev הראה כי אם משתמשים בהם כסיביות קוונטיות (או קיוביטים), מצבים מסוימים יהיו "מוגנים טופולוגית", כלומר לא ניתן להעיף אותם באקראי על ידי רעש חיצוני. זה חשוב מכיוון שהפרעות כאלה הן אחד מאבני הנגף העיקריות ליצירת מחשב קוונטי מעשי ועמיד בפני שגיאות.

קיטאיב הציע מאוחר יותר שמצבי מיורנה אלה עשויים להיות מהונדסים כמצבי פגמים אלקטרוניים המתרחשים בקצוות של ננו-חוטים קוונטיים העשויים ממוליכים למחצה הממוקמים ליד מוליך-על. עבודה רבה לאחר מכן התמקדה אפוא בחיפוש אחר התנהגות Majorana בהטרו-מבנים של מוליכים-למחצה.

גישה אחרת

במחקר האחרון, חוקרים בראשות טקאסאדה שיבאוצ'י של המחלקה למדעי חומרים מתקדמים באוניברסיטת טוקיו, יפן, יחד עם עמיתים ב- המכון המתקדם למדע וטכנולוגיה בקוריאה (KAIST), נקטה בגישה אחרת. עבודתם מתמקדת בחומר הנקרא α-RuCl₃, המהווה "מארח" פוטנציאלי לפרמיוני מיורנה מכיוון שהוא עשוי להשתייך לסוג של חומרים המכונה קיטאיב ספין נוזלי (KSLs).

חומרים אלו הם בעצמם תת-סוג של נוזלי ספין קוונטיים - חומרים מגנטיים מוצקים שאינם יכולים לסדר את המומנטים (או הספינים) המגנטיים שלהם לתבנית קבועה ויציבה. התנהגות "מתוסכלת" זו שונה מאוד מזו של פרומגנטים או אנטי-פרומגנטים רגילים, שיש להם ספינים שמצביעים לאותם כיוונים או מתחלפים, בהתאמה. ב-QSL, הספינים משנים כל הזמן כיוון בצורה דמוית נוזל, אפילו בטמפרטורות אולטרה-קרות.

כדי להעפיל כ-KSL, לחומר חייב להיות סריג מושלם (ניתן לפתרון) דו מימדי בצורת חלת דבש, והספינים בתוך הסריג הזה חייבים להיות מחוברים באמצעות אינטראקציות חילופיות חריגות (סוג Ising). אינטראקציות כאלה אחראיות לתכונות המגנטיות של חומרים יומיומיים כמו ברזל, והן מתרחשות בין זוגות של חלקיקים זהים כמו אלקטרונים - כשהאפקט מונע מהספינים של חלקיקים שכנים להצביע לאותו כיוון. לפיכך אומרים כי KSL סובלים מתסכול "צימוד חילופי".

ב-α-RuCl₃, בעל מבנה חלת דבש שכבות, כל Ru³⁺ ליון (עם ספין אפקטיבי של -1/2) יש שלושה קשרים. שיבאוצ'י ועמיתיו מסבירים שביטול של אינטראקציות בין שני הנתיבים הקצרים ביותר Ru-Cl-Ru 90° מוביל לאינטראקציות של Ising עם ציר הספין בניצב למישור הכולל את שני הנתיבים הללו.

"סימן ההיכר של ריגושים של מיורנה"

בניסויים שלהם, החוקרים מדדו את קיבולת החום של גביש יחיד של α-RuCl₃ באמצעות הגדרה חדישה ברזולוציה גבוהה. מערך זה נכלל במקרר דילול המצויד בסיבוב דו-צירי מבוסס פיזו ומגנט מוליך-על המחיל שדה מגנטי מסתובב על מישור חלת הדבש של הדגימה. מדידות אלה חשפו מצב קצה טופולוגי בחומר עם תלות מוזרה מאוד בזווית השדה המגנטי. באופן ספציפי, החוקרים מצאו שבטמפרטורות נמוכות מאוד, קיבולת החום של החומר (כמות תרמודינמית) מציגה עירורים חסרי פערים המשתנים לאלו מרווחים כאשר זווית השדה המגנטי מוטה בכמה מעלות בלבד. התלות הזו בזווית השדה היא, לדבריהם, אופיינית לעירורי קוואזי-חלקיקים של Majorana.

"זהו סימן ההיכר של עירורי מיורנה הצפויים במצב ספין נוזלי, שנוסח באופן תיאורטי על ידי קיטאיב ב-2006", אומר שיבאוצ'י עולם הפיזיקה. "אנו מאמינים שלא ניתן להסביר זאת תמונות חלופיות ובכך מספקות הוכחות חותכות להתרגשות הללו."

שיבאוצ'י מכיר בכך שתוצאות קודמות של מדידות כאלה היו שנויות במחלוקת מכיוון שחוקרים התקשו לדעת אם הופיעה או לא הופיעה תופעה המכונה אפקט הול הקוונטי של חצי מספר שלם - חתימה של מצב הקצה Majorana. בעוד שדגימות מסוימות הראו את ההשפעה, אחרות לא, מה שהוביל רבים להאמין שתופעה אחרת עשויה להיות אחראית. עם זאת, שיבוצ'י אומר שהגישה החדשנית של הצוות, המתמקדת בתכונת סגירת הפער תלוית הזווית הספציפית לריגושים של מיורנה, "נותנת מענה לאתגרים הללו".

עוד דרך ארוכה לפנינו

לדברי החוקרים, התוצאות החדשות מראות שניתן לעורר פרמיוני מיורנה במצב ספין נוזלי של מבודד מגנטי. "אם אפשר למצוא דרך לתמרן את הקוואזי-חלקיקים החדשים האלה (שלא תהיה משימה קלה, כאמור), חישובים קוונטיים טופולוגיים סובלני תקלות עשויים להתממש בעתיד", אומר שיבאוצ'י.

בעבודתם, המפורטת ב התקדמות מדע, החוקרים היו צריכים להפעיל שדה מגנטי גבוה יחסית כדי להשיג את מצב הספין של Kitaev שמארח את התנהגות Majorana. כעת הם מחפשים חומרים חלופיים שבהם מדינת מיורנה עשויה להופיע בשדות נמוכים יותר, או אפילו אפסיים. אמיליו קובנרה, פיזיקאי ב- המכון הפוליטכני SUNY בניו יורק שלא היה מעורב במחקר, מסכים שחומרים כאלה אפשריים.

מצבי מיורנה ממשיכים לחמוק

"בזכות עבודת הבילוש של שיבוצ'י ועמיתיו, נוכל להוסיף לרשימה את השכבות של השלב היציב של RuCl₃ בביטחון, ואולי סוף סוף אנחנו מפתחים את הטכניקות הניסוי ואת ההמצאה כדי לחשוף מישהו בחומרים רבים אחרים", הוא אומר. "בעבודתם, הצוות היה צריך להבדיל בין שני תרחישים אקזוטיים: הפיזיקה של מודל חלת הדבש של Kitaev מצד אחד, מודל פתיר בדיוק של כלונים, ועוד פיסת פיזיקה חדשה, מגונים הקשורים למבני להקה לא טריוויאליים מבחינה טופולוגית. ”

קובנרה מציינת שכפי ששיבוצ'י ועמיתיו מציינים בעצמם, שני התרחישים הללו יניבו תחזיות שונות מאוד להתנהגות של מוליכות האולם התרמית תחת שינויים בכיוון של שדה מגנטי מופעל במישור. לכן הם עקבו אחר התצפית הזו עם מדידות תרמיות מזוסקופיות עדכניות, שלדברי קובנרה, ברורות שאינן עולות בקנה אחד עם הסבר מגנוני ותומכות באופן חצי כמותי בתרחיש עם כל אחד.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/heat-capacity-measurements-reveal-majorana-fermions/