일본과 한국의 연구자들은 마조라나 페르미온이라고 불리는 이론적으로 제안된 입자의 존재에 대한 “결정적인 증거”를 발견했다고 주장합니다. 오랫동안 기다려온 입자에 대한 증거는 소위 키타에프 자석(Kitaev 자석)의 열역학적 거동에서 나타났으며, 연구자들은 그들의 관찰이 대체 이론으로는 설명될 수 없다고 말했습니다.

마요라나 페르미온은 1937년에 그 존재를 예측한 이탈리아의 물리학자 에토레 마요라나의 이름을 따서 명명되었습니다. 이 입자들은 스스로 반입자라는 점에서 특이하며, 2000년대 초반 이론물리학자 알렉세이 키타예프 두 쌍의 전자로 구성된 준입자 형태로 존재할 수 있다고 예측했습니다.

이러한 준입자는 비아벨리안 애니온(non-Abelian anyons)으로 알려져 있으며, 주요 매력 중 하나는 외부 교란에 강하다는 것입니다. 특히 Kitaev는 양자 비트(또는 큐비트)로 사용되면 특정 상태가 "위상적으로 보호"되며, 이는 외부 노이즈에 의해 무작위로 뒤집힐 수 없음을 보여주었습니다. 이러한 섭동은 실용적이고 오류 방지 양자 컴퓨터를 만드는 데 주요 걸림돌 중 하나이기 때문에 이는 중요합니다.

Kitaev는 나중에 이러한 마요라나 상태가 초전도체 근처에 위치한 반도체로 만들어진 양자 나노와이어의 끝에서 발생하는 전자 결함 상태로 설계될 수 있다고 제안했습니다. 따라서 많은 후속 연구는 반도체-초전도체 이종 구조에서 Majorana 동작을 찾는 데 중점을 두었습니다.

다른 접근 방법

최근 연구에서 연구진이 주도한 다카사다 시바우치 의 도쿄대학교 첨단재료과학과, 일본에서 동료들과 함께 한국 과학 기술원 (KAIST), 다른 접근 방식을 취했습니다. 그들의 연구는 α-RuCl이라는 물질에 초점을 맞추고 있습니다.₃이는 Kitaev 스핀 액체(KSL)로 알려진 물질 종류에 속할 수 있기 때문에 Majorana 페르미온의 잠재적인 "호스트"입니다.

이러한 물질은 그 자체로 자기 모멘트(또는 스핀)를 규칙적이고 안정적인 패턴으로 배열할 수 없는 고체 자성 물질인 양자 스핀 액체의 하위 유형입니다. 이러한 "좌절된" 동작은 각각 동일한 방향 또는 교대 방향을 가리키는 스핀을 갖는 일반 강자성체 또는 반강자성체의 동작과 매우 다릅니다. QSL에서 스핀은 극저온에서도 유체와 같은 방식으로 끊임없이 방향을 바꿉니다.

KSL 자격을 얻으려면 물질이 완벽한(정확히 풀 수 있는) 2차원 벌집 모양 격자를 가져야 하며, 이 격자 내의 스핀은 특이한(Ising 유형) 교환 상호 작용을 통해 결합되어야 합니다. 이러한 상호 작용은 철과 같은 일상 물질의 자기 특성을 담당하며 전자와 같은 동일한 입자 쌍 사이에서 발생하여 이웃 입자의 스핀이 같은 방향을 향하는 것을 방지하는 효과가 있습니다. 따라서 KSL은 "교환 결합" 좌절을 겪고 있다고 합니다.

α-RuCl에서₃, 층상 벌집 구조를 가지고 있으며, 각 Ru³⁺ 이온(-1/2의 유효 스핀을 가짐)에는 90개의 결합이 있습니다. Shibauchi와 동료들은 두 개의 가장 짧은 Ru-Cl-Ru XNUMX° 경로 사이의 상호 작용이 취소되면 이 두 경로를 포함하는 평면에 수직인 스핀 축과 Ising 상호 작용이 발생한다고 설명합니다.

“Majorana 자극의 특징”

연구진은 실험에서 α-RuCl 단결정의 열용량을 측정했습니다.₃ 최첨단 고해상도 설정을 사용합니다. 이 설정은 압전 기반 2축 회전기와 시료의 벌집형 평면에 회전 자기장을 적용하는 초전도 자석이 장착된 희석 냉장고에 포함되어 있습니다. 이러한 측정을 통해 자기장 각도에 매우 특이한 의존성을 갖는 재료의 위상학적 에지 모드가 드러났습니다. 특히 연구진은 매우 낮은 온도에서 물질의 열용량(열역학적 양)이 자기장의 각도가 몇도만 기울어지면 틈이 없는 여기로 바뀌고 틈이 없는 여기를 보인다는 사실을 발견했습니다. 필드 각도에 대한 이러한 의존성은 마요라나 준입자 여기의 특징이라고 그들은 말합니다.

"이것은 2006년 Kitaev가 이론적으로 공식화한 스핀 액체 상태에서 예상되는 Majorana 여기의 특징입니다."라고 Shibauchi는 말합니다. 물리 세계. "우리는 이것이 대체 사진으로 설명될 수 없으며 따라서 이러한 자극에 대한 결정적인 증거를 제공한다고 믿습니다."

Shibauchi는 연구자들이 마요라나 에지 모드의 특징인 반정수 양자 홀 효과로 알려진 현상이 나타나는지 여부를 말하기가 어렵기 때문에 이러한 측정의 이전 결과가 논란의 여지가 있었다는 점을 인정합니다. 일부 샘플에서는 효과가 나타났지만 다른 샘플에서는 그렇지 않아 많은 사람들이 다른 현상이 원인일 수 있다고 믿게 되었습니다. 그러나 Shibauchi는 Majorana 여기에 특정한 각도 의존적 ​​간격 폐쇄 기능에 초점을 맞춘 팀의 새로운 접근 방식이 "이러한 문제를 해결한다"고 말합니다.

아직 갈 길이 멀다

연구진에 따르면, 새로운 결과는 마요라나 페르미온이 자기 절연체의 스핀 액체 상태에서 여기될 수 있음을 보여줍니다. Shibauchi는 "이러한 새로운 준입자를 조작하는 방법을 찾을 수 있다면(쉬운 작업은 아니지만) 내결함성 위상 양자 계산이 미래에 실현될 수 있습니다"라고 말합니다.

에 자세히 설명되어 있는 그들의 작업에서 과학의 발전, 연구원들은 Majorana 행동을 호스팅하는 Kitaev 스핀 액체 상태를 달성하기 위해 상대적으로 높은 자기장을 적용해야했습니다. 그들은 이제 마요라나 상태가 더 낮은 필드 또는 심지어 0 필드에 나타날 수 있는 대체 재료를 찾고 있습니다. 에밀리오 코바네라, 물리학자 뉴욕 SUNY 폴리테크닉 인스티튜트 연구에 참여하지 않은 사람은 그러한 자료가 가능하다는 데 동의합니다.

Majorana 모드는 계속해서 회피됩니다.

“Shibauchi와 동료들의 조사 작업 덕분에 우리는 RuCl의 안정적인 단계의 레이어를 목록에 추가할 수 있습니다.₃ 자신감을 가지고 마침내 우리는 다른 많은 재료에서 누구라도 드러낼 수 있는 실험적 기술과 독창성을 개발하고 있을 것입니다.”라고 그는 말합니다. “그들의 작업에서 팀은 두 가지 이국적인 시나리오를 구별해야 했습니다. 한편으로는 Kitaev 벌집 모델의 물리학, 누구에게나 정확하게 풀 수 있는 모델, 그리고 또 다른 새로운 물리학의 조각, 위상적으로 사소하지 않은 밴드 구조와 관련된 마그논입니다. ”

Cobanera는 Shibauchi와 동료들이 지적한 것처럼 이 두 가지 시나리오는 적용된 평면 내 자기장의 방향 변화에 따라 열 홀 컨덕턴스의 동작에 대해 매우 다른 예측을 제공할 것이라고 지적합니다. 따라서 Cobanera는 최첨단 메조스코픽 열 측정을 사용하여 이 관찰을 따랐으며 이는 마그노닉 설명과 분명히 일치하지 않으며 모든 사람의 시나리오를 반정량적으로 뒷받침한다고 말했습니다.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/heat-capacity-measurements-reveal-majorana-fermions/