Физики увидели
частицу, которая одновременно ведет себя, как материя и антиматерия
 |
Фермионы Майораны под микроскопом.
3D-представление: Yazdani Lab,
Princeton University
|
Американские ученые из
Принстонского университета объявили об успешном завершении
эксперимента, в рамках которого они впервые смогли напрямую проследить за
поведением и физическими свойствами «виртуальной» элементарной частицы,
одновременно обладающей характеристиками материи и антиматерии. Эта частица,
так называемый «фермион Майораны», может стать основой для квантовых
компьютеров, способных сохранять стабильность на протяжении практически
неограниченного времени. О результатах исследования рассказывает пресс-служба
университета.
«Что самое интересное, создать
такие частицы достаточно просто — для этого вам потребуются всего лишь железо и
свинец. Оказалось, что если у вас есть материал, обладающий сильными магнитными
свойствами, который может быть как железом, так и другими магнитами, в толще
которых электроны подвергаются действию сильного поля, шансы на возникновение фермионов
Майораны вырастают на порядки. Для появления фермионов Майораны нужно просто
добавить релятивистские эффекты, чего можно легко достичь, добавив на
поверхность железа атомы тяжелых элементов, таких как свинец. Мы ожидаем, что
эти неуловимые частицы могут существовать и в других типах материалов», —
объясняет Андрей Берневиг из Принстонского университета, один из авторов
статьи.
Берневиг и его коллеги на протяжении двух последних лет работали
над созданием инструментов, которые позволили бы им напрямую наблюдать за
физическими процессами, происходящими на стыке между сверхпроводником и обычным
металлом. Как сегодня считают многие физики, в этой точке могут зарождаться
особые квазичастицы, неотличимые по своим свойствам от неуловимых фермионов
Майораны.
Еще в 1937 году, на заре развития
квантовой физики, итальянский физик Этторе Майорана выяснил, что в нашей
Вселенной теоретически могут существовать особые элементарные частицы, которые
одновременно обладают свойствами материи и антиматерии. Благодаря своей особой
природе они будут вести себя крайне необычно с точки зрения физики — к примеру,
у них будет отсутствовать электрический или иной заряд, они будут крайне плохо
взаимодействовать с другими формами материи и обладать либо крайне большой,
либо очень малой массой.
Фермионы Майораны, как их сегодня
называют ученые, интересуют их по двум причинам, одна из которых является чисто
практической, а вторая — имеет огромное значение для космологии и теоретической
физики. Теоретиков и астрофизиков привлекает то, что эти частицы по своим
предполагаемым свойствам очень похожи на то, как себя ведет темная материя, на
чью долю приходится примерно четверть от общей массы и энергии Вселенной.
Открытие и изучение свойств фермионов Майораны может помочь космологам найти
причины многих известных парадоксов — преобладания материи над антиматерией в
нашей Вселенной, господства темной энергии и материи над видимой материей, а
также других тайн мироздания.
Практиков интересует
нейтральность этих частиц, а также их «нежелание» взаимодействовать с
окружающим миром. Оба этих свойства делают подобные фермионы идеальным
строительным материалом для кубитов — ячеек памяти и вычислительных звеньев
квантовых компьютеров. Сегодня ученые создают их путем «спутывания» фотонов,
электронов и прочих жителей микромира. Подобные союзы частиц, из-за их
взаимодействия с внешним миром, живут крайне недолго, и их замена фермионами
Майораны позволит радикальным образом решить эту проблему.
Несмотря на огромный интерес к
этим частицам, за весь остаток минувшего столетия так и не удалось найти
фермионы Майораны или их виртуальные подобия, так называемые квазичастицы.
Первый прорыв в поисках «януса» произошел только в 2001 году, когда
российско-американский физик Алексей Китаев понял, что виртуальные фермионы
Майораны могут возникать на противоположных концах провода, изготовленного из
сверхпроводящих материалов. Первое подтверждение теоретических выкладок Китаева
было получено только в 2012 году, когда европейские ученые представили в
журнале Science результаты опытов по «выращиванию» двуликих частиц в полосках
сплава индия и сурьмы.
Не все ученые поверили в это
открытие, так как его авторы наблюдали за появлением фермионов Майораны не
напрямую, а следили за тем, как их появление влияло на характер движения
электронов в окружающей среде. Берневиг, Дроздов и их коллеги решили восполнить
пробелы в методологии их европейских коллег и попытались напрямую проследить за
рождением «частиц-янусов», используя специально созданный для этой цели
микроскоп, на постройку которого фонд исследований Военно-морского министерства
США выделил около трех миллионов долларов.
Этот прибор относится к категории
так называемых сканирующих туннельных микроскопов. Они считывают «рельеф»
молекул при помощи импульсов электрического тока, которые подаются через
сверхтонкую металлическую иглу и просачиваются в образец благодаря эффекту
квантового тунеллирования. Это позволяет получать изображения практически любой
поверхности с почти атомным разрешением.
Подобная точность была необходима
ученым по одной простой причине — фрагмент проводника, в котором должны
рождаться фермионы Майораны, представляет собой нанопровод из железа толщиной в
один атом и глубиной в три атома. Эта микроскопическая цепочка была прикреплена
к поверхности пластины из чистейшего свинца, на изготовление и очистку которой
у ученых ушло несколько месяцев.
Когда физики охладили свинцовый
лист до температуры в минус 272 градусов Цельсия, всего на один градус выше абсолютного
нуля, внутри железной цепочки возникли своеобразные «белые пятна», хорошо
заметные для микроскопа. Это свидетельствовало в пользу того, что в этих точках
существуют электрически нейтральные квазичастицы, которыми в данном случае
могут быть только неуловимые «частицы-янусы».
«Наблюдения показали, что этот
сигнал присутствует только на концах провода. Это ключевое свойство (фермионов
Майораны), и если вы его не видите, то подобный сигнал может возникать по
целому ряду совершенно других причин. То, что мы сделали, можно без сомнения
называть самым "прямым" способом для поиска фермионов Майораны,
возникающих на стыках между некоторыми материалами. И если вы хотите найти их у
себя в лаборатории, то вам придется использовать такой микроскоп, который позволяет
увидеть фермионы там, где они на самом деле есть», — добавляет Али Яздани из
Принстонского университета, руководитель лаборатории.
По словам Яздани, публикация
работы его научной группы является прямым подтверждением того, что европейским
физикам действительно удалось обнаружить виртуальные фермионы Майораны в 2012
году. Как считает американский физик, настоящие фермионы Майораны сегодня вряд
ли можно будет создать сегодня при помощи уже существующих ускорителей частиц —
для этого потребуются энергии, на два-три порядка превышающие мощность Большого
адронного коллайдера. Тем не менее даже виртуальных фермионов Майораны
достаточно для того, чтобы использовать их в качестве основы для квантовых
компьютеров будущего, заключает ученый.
Виртуальные фермионы
Майорана
в нанопроводе из атомов
железа