Ett lågtemperaturmaterial tillverkat av grundämnena praseodym, osmium, och antimon bör kunna vara värd för subatomära partiklar som kallas Majorana-fermioner, MIT-forskare har visat i en teoretisk analys.

Majorana fermioner, först förutspåddes av fysiker 1937, kan ses som elektroner delade i två delar, som var och en beter sig som oberoende partiklar. Dessa fermioner existerar inte som elementära partiklar i naturen utan kan uppstå i vissa supraledande material nära absolut nolltemperatur. I supraledande material, elektroner strömmar utan motstånd och genererar lite eller ingen värme.

Den nya analysen av doktoranden Vladyslav Kozii, postdoc Jörn Venderbos, och Lawrence C. (1944) och Sarah W. Biedenharn Karriärutvecklingsassistent Liang Fu förutspår att detta speciella tillstånd skulle inträffa i ett praseodym, osmium och antimonföreningar, Fördelar ₄ Sb ₁₂ , och liknande material tillverkade av tungmetaller.

Fysiker beskriver elektroner med sin energi, Momentum, och snurra. En elektron kan uppta en möjlig energinivå, och en ledig nivå kallas ett hål. I den nya analysen, Majorana fermioner uppstår som en kvantöverlagring av en elektron och ett hål som rör sig fritt, var och en har samma riktning, eller snurra. Detta Majorana fermionspin kan interagera med spinn av atomkärnor i materialet, så det borde ses med hjälp av kärnmagnetiska resonanstekniker, de förutspår.

"Vi tar upp en viss klass av supraledare, visa att de har Majorana-fermioner som fritt förökande kvasipartiklar i bulken, och sedan titta på hur de kan upptäckas och vilka andra egenskaper dessa material har som man skulle kunna använda i framtiden för intressant funktionalitet, " säger Venderbos. "Jag tycker att det på ett mycket bra sätt överbryggar gapet mellan experiment och teori och det kan användas av experimentalister just nu." Deras artikel publicerades denna månad i tidskriften Vetenskapens framsteg .

Ett centralt fysikbegrepp i detta arbete är tidsomkastningssymmetri. Sådan symmetri innebär att rörelseekvationer som styr ett föremål eller partikel förblir desamma om man kunde vända tidens riktning - med tiden som flödar bakåt snarare framåt. Om rörelseekvationen för elektroner i ett material är annorlunda när tiden flyter bakåt - vilket är sant i magneter, till exempel — då sägs tidsomkastningssymmetri vara bruten. Detta ger fysiker ett viktigt sätt att särskilja olika material. I den föreslagna antimonföreningsbaserade supraledaren, analys visar att Majorana-fermionerna endast kan existera när tidsomkastningssymmetri är bruten. När rörelsen vänds i tid, Majorana-fermionernas spinn är omvänd – till exempel, från medurs till moturs – och detta innebär en annan rörelseekvation för Majorana-fermioner som går bakåt i tiden. "Angående det material som vi föreslog, Det finns faktiskt ett experiment nyligen som bekräftar att tidsomkastningssymmetri är bruten i det supraledande tillståndet av detta material. Detta förstärker vår slutsats att det verkligen är en mycket lovande kandidat för vår teori att tillämpa, " förklarar Kozii.

Majorana-fermioner föreslogs först av den italienska fysikern Ettore Majorana som en speciell matematisk lösning för elektroners kvantbeteende. Forskare vid Princeton University rapporterade upptäckt av en nolldimensionell realisering av dessa partiklar i slutet av en atomkedja i oktober 2014. MIT-teoretiker visar nu att de tredimensionella fortplantande Majorana-fermioner som de förutspår styrs av Majoranas ursprungliga ekvation. "Den omfattande studie vi har utfört visar att denna märkliga partikel nu kan hitta sin förverkligande i fasta tillståndets fysik i ett verkligt material, säger Venderbos.

Elektroner i material som metaller och halvledare kan bara fylla vissa energinivåer, eller band, med uteslutna, eller förbjudet, energinivåer som kallas ett bandgap. I en supraledare, detta kallas också det supraledande gapet. Vanligtvis, det tar energi utifrån för att lyfta en elektron med lägre energi till en högre energinivå, speciellt när den måste passera ett bandgap. Fu-gruppernas analys av praseodym, osmium, och antimon avslöjar att det finns några speciella punkter i dess elektroniska excitationsspektrum där bandgapet försvinner i sitt supraledande tillstånd, vilket innebär att lågenergiexcitationer är möjliga. "Hur låg energi du än tar, det kommer alltid att finnas excitation över denna energi. Dessa excitationer är exakt dessa Majorana-fermioner vi pratade om, " förklarar Kozii. Venderbos tillägger, "Det finns vissa excitationer för vilka du inte behöver lägga ner någon energi eller bara en oändligt liten mängd och du kan fortfarande skapa excitationen."

Notera att Fu har gjort "några fantastiska förutsägelser tidigare, "Princeton University professor i kemi Robert J. Cava, som inte var involverad i denna forskning, föreslår:"Experimentalister borde lyssna på vad han har att säga... Jag är mycket glad att se att han och hans medarbetare har presenterat en analys av verkliga material där deras idéer kan förkroppsligas."

Kozii, Venderbos, och Fu analyserade dessa okonventionella supraledare under ett år. För Kozii, arbetet kommer att bli en del av hans doktorsavhandling.

Forskarna hoppas att deras arbete kommer att inspirera experimentalister att titta igen på några tidigare studerade material för att identifiera sådana som är värd för supraledande tillstånd med Majorana-fermioner. "Jag tror att det första steget bara skulle vara att hitta ett material där alla kan hålla med om att det har dessa Majorana-fermioner. Det skulle vara riktigt spännande och utgöra upptäckten av en ny typ av supraledare i experiment, " säger Venderbos. "Nästa steg skulle vara att tänka på funktionalisering av dessa material, vad kan de specifika tillämpningarna vara." Att försöka göra kvantenheter av dessa material är en möjlig riktning. "Vi hoppas att den här forskningen i slutändan för närmare ansträngningar från kvantmaterial- och kvantenhetsgemenskapen för att ta reda på de många aspekterna av Majorana-fermioner, " tillägger Fu.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.