Neutronspridning har i oöverträffade detaljer avslöjat nya insikter om det exotiska magnetiska beteendet hos ett material som, med en större förståelse, skulle kunna bana väg för kvantberäkningar långt bortom gränserna för ettorna och nollorna i en dators binära kod.

Ett forskargrupp som leds av Department of Energy:s Oak Ridge National Laboratory har bekräftat magnetiska signaturer som sannolikt är relaterade till Majorana fermioner - svårfångade partiklar som kan vara grunden för en kvantbit, eller qubit, i ett tvådimensionellt grafenliknande material, alfa-ruteniumtriklorid. Resultaten, publicerad i tidningen Vetenskap , verifiera och förläng ett 2016 Naturmaterial studie där forskargruppen från ORNL, University of Tennessee, Max Planck Institute och Cambridge University föreslog först detta ovanliga beteende i materialet.

"Denna forskning är ett löfte som levereras, "sade huvudförfattaren Arnab Banerjee, en postdoktor vid ORNL. "Innan, vi föreslog att denna förening, alfa-ruteniumtriklorid, visade fysiken för Majorana fermioner, men materialet vi använde var ett pulver och döljde många viktiga detaljer. Nu, vi tittar på en stor enkristall som bekräftar att det ovanliga magnetiska spektrumet överensstämmer med idén om magnetiska Majorana-fermioner."

Majorana-fermioner teoretiserades 1937 av fysikern Ettore Majorana. De är unika i det, till skillnad från elektroner och protoner vars motpartiklar är positron och antiproton, partiklar med lika men motsatta laddningar, Majorana fermioner är sina egna antipartiklar och har ingen kostnad.

Under 2006, fysikern Alexei Kitaev utvecklade en lösbar teoretisk modell som beskriver hur topologiskt skyddade kvantberäkningar kan uppnås i ett material med hjälp av kvantspinnvätskor, eller QSL. QSL är konstiga tillstånd som uppnås i fasta material där de magnetiska momenten, eller "snurrar, " associerade med elektroner uppvisar ett vätskeliknande beteende.

"Våra neutronspridningsmätningar visar oss tydliga signaturer av magnetiska excitationer som liknar modellen av Kitaev QSL, "sa motsvarande författare Steve Nagler, direktör för Quantum Condensed Matter Division på ORNL. "Förbättringarna i de nya mätningarna är som att titta på Saturnus genom ett teleskop och upptäcka ringarna för första gången."

Eftersom neutroner är mikroskopiska magneter som inte bär någon laddning, de kan användas för att interagera med och excitera andra magnetiska partiklar i systemet utan att kompromissa med integriteten hos materialets atomstruktur. Neutroner kan mäta magnetiska spektrum av excitationer, avslöjar hur partiklar beter sig. Teamet kylde materialet till temperaturer nära absolut noll (cirka minus 450 grader Fahrenheit) för att möjliggöra en direkt observation av rent kvantrörelser.

Genom att använda SEQUOIA-instrumentet vid ORNL:s Spallation Neutron Source kunde utredarna kartlägga en bild av kristallens magnetiska rörelser i både rum och tid.

"Vi kan se det magnetiska spektrumet som manifesterar sig i form av en sexkantig stjärna och hur det speglar materialets underliggande bikakegitter, ", sa Banerjee. "Om vi ​​kan förstå dessa magnetiska excitationer i detalj så kommer vi att vara ett steg närmare att hitta ett material som skulle göra det möjligt för oss att fullfölja den ultimata drömmen om kvantberäkningar."

Banerjee och hans kollegor fortsätter ytterligare experiment med applicerade magnetfält och varierande tryck.

"Vi har tillämpat en mycket kraftfull mätteknik för att få dessa utsökta visualiseringar som gör att vi direkt kan se materialets kvantitet, "sa medförfattaren Alan Tennant, chefsforskare för ORNL:s direktorat för neutronvetenskap. "En del av spänningen i experimenten är att de leder teorin. Vi ser dessa saker, och vi vet att de är riktiga. "