Particula inger ramane deocamdata un mister

Un raport din 2017 despre descoperirea unui anumit tip de fermion Majorana – fermionul chiral Majorana, denumit „particula inger” – este probabil o alarma falsa, potrivit unei noi cercetari.

Fermionii Majorana sunt particule enigmatice care actioneaza ca propria antiparticula si s-a emis pentru prima data ipoteza existentei lor in 1937.

Tipul de fermioni Majorana sunt cunoscuti sub numele de „fermioni chirali”, deoarece se misca intr-un spatiu unidimensional intr-o singura directie.

Acestia prezinta un interes imens pentru fizicieni, deoarece proprietatile lor unice le-ar putea permite sa fie utilizati in constructia unui computer cuantic topologic.

O echipa de fizicieni de la Penn State si de la Universitatea Wurzburg din Germania, condusa de Cui-Zu Chang, profesor asistent de fizica la Penn State, a studiat peste trei duzini de dispozitive similare cu cel folosit pentru a produce particula inger in cercetarea din 2017.

S-a descoperit ca trasatura despre care se pretindea ca este manifestarea particulei inger era putin probabil sa fie indusa de existenta acesteia.

O lucrare care descrie acest studiu a fost publicata pe 3 ianuarie 2020 in revista Science.

„Atunci cand fizicianul italian Ettore Majorana a prezis posibilitatea unei noi particule fundamentale, care este si propria sa antiparticula, particula inger, acesta nu si-ar fi putut imagina implicatiile de lunga durata ale ideii sale imaginative”, a spus Nitin Samarth, profesor de fizica la Penn State.

„La peste 80 de ani de la predictia lui Majorana, fizicienii continua sa caute in mod activ semnaturi ale fermionului Majorana, greu de gasit in diverse colturi ale universului.”

Particula inger si calculatorul cuantic topologic

Intr-un astfel de efort, fizicienii de particule folosesc observatoare subterane care incearca sa afle daca particula fantoma cunoscuta sub numele de neutrin – o particula subatomica care interactioneaza rar cu materia – ar putea fi un fermion Majorana.

Pe un front complet diferit, fizicienii materiei condensate cauta sa descopere manifestari ale fizicii Majorana in dispozitive cu stare solida, care combina materialele cuantice exotice cu superconductorii.

In astfel de dispozitive, electronii sunt teoretizati sa se comporte ca fermioni Majorana aducand si folosind impreuna aspectele de baza ale mecanicii cuantice, fizicii relativiste si topologiei.

Aceasta versiune analoga a fermionilor Majorana a captat in mod deosebit atentia fizicienilor materiei condensate, deoarece poate oferi o cale pentru construirea unui „calculator cuantic topologic” ai carui qubiti (versiuni cuantice ale numerelor binare 0 si 1) sunt in mod inerent protejati impotriva decoerentei mediului.

Decoerenta mediului consta in pierderea de informatii care rezulta atunci cand un sistem cuantic nu este perfect izolat si reprezinta un obstacol major in dezvoltarea computerelor cuantice.

Dispozitivele izolatoare superconductoare Hall cu anomalie cuantica

O stare cuantica exotica cunoscuta sub numele de „fermion chiral Majorana” sau particula inger este prezisa in dispozitivele in care un superconductor este fixat deasupra unui izolator Hall cu anomalie cuantica (QAH) (panoul din stanga).

Experimentele efectuate la Penn State si la Universitatea din Würzburg din Germania arata ca banda superconductoare de dimensiune milimetrica utilizata in geometria dispozitivului propus creeaza un scurtcircuit electric, impiedicand detectarea fermionilor Majorana (panoul din dreapta).

Un prim pas important catre acest vis indepartat de a crea un computer cuantic topologic este de a gasi dovezi experimentale definitive pentru existenta fermionilor Majorana in materia condensata.

In ultimii ani, mai multe experimente au sustinut ca arata astfel de dovezi, dar interpretarea acestor experimente este inca dezbatuta in lumea stiintifica.

Echipa de cercetare a studiat dispozitivele realizate dintr-un material cuantic cunoscut sub numele de „izolator Hall cu anomalie cuantica”, in care curentul electric circula doar la margine.

Un studiu recent a prezis ca atunci cand curentul de margine este in contact sigur cu un superconductor, se creeaza fermonii chirali Majorana, care se propaga.

Conductanta electrica a dispozitivului ar trebui sa fie „cuantificata pe jumatate” (o valoare de e2/2h unde „e” este sarcina electronului si „h” este constanta Planck), atunci cand acesta este supus unui camp magnetic precis.

Echipa Penn State-Wurzburg a studiat peste trei duzini de dispozitive cu mai multe configuratii (materiale diferite) si a descoperit ca dispozitivele cu un contact superconductor sigur arata intotdeauna valoarea semicuantificata, indiferent de conditiile campului magnetic.

Acest lucru se intampla deoarece superconductorul actioneaza ca un scurtcircuit electric si, prin urmare, nu indica prezenta fermionului Majorana.

Particula inger ramane astfel un mister

Faptul ca doua laboratoare – la Penn State si la Wurzburg – au gasit rezultate consistente folosind o mare varietate de configuratii pune serios la indoiala validitatea geometriei propuse teoretic si pune sub semnul intrebarii afirmatia din 2017, cum ca s-a observat particula inger.

Oamenii de stiinta considera ca aceasta combinatie dintre izolatorii Hall cu anomalie cuantica si superconductivitate este o schema atractiva pentru realizarea fermionilor chirali, dar ar trebui regandita geometria dispozitivului.

Aceasta este o ilustrare excelenta a modului in care ar trebui sa functioneze stiinta. Pretentiile extraordinare de descoperire trebuie sa fie examinate si reproduse cu atentie.

De asemenea, cercetatorii trebuie sa se asigure ca toate datele si metodele lor sunt impartasite in mod transparent comunitatii stiintifice, astfel incat rezultatele sa poata fi evaluate critic de catre colegii interesati.

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

Sursa: scitechdaily.com, photonics.com, science.org.

Credit foto: Cui-zu Chang, Penn State.

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.