År 1928, fysikern Paul Dirac gjorde den fantastiska förutsägelsen att varje grundläggande partikel i universum har en antipartikel - dess identiska tvilling men med motsatt laddning. När partiklar och antipartiklar möttes skulle de förintas, släpper ut en massa energi. Säker nog, några år senare den första antimateriepartikeln - elektronens motsats, positronen - upptäcktes, och antimateria blev snabbt en del av populärkulturen.

Men 1937, ännu en briljant fysiker, Ettore Majorana, introducerade en ny twist:Han förutspådde att i klassen av partiklar som kallas fermioner, som inkluderar protonen, neutron, elektron, neutrino och kvark, det borde finnas partiklar som är deras egna antipartiklar.

Nu säger ett team med Stanford -forskare att det har hittat det första fasta beviset på en sådan Majorana -fermion. Det upptäcktes i en serie laboratorieexperiment på exotiska material vid University of California i samarbete med Stanford University. Det experimentella teamet leddes av UCLA -professor Kang Wang, och exakta teoretiska förutsägelser gjordes av Stanford Professor Shoucheng Zhangs grupp, i samarbete med experimentella grupper som leds av docent Jing Xia vid UC-Irvine och professor Kai Liu vid UC-Davis. Teamet rapporterade resultaten 20 juli i Vetenskap .

"Vårt team förutspådde exakt var de skulle hitta Majorana-fermion och vad de skulle leta efter som dess experimentella signatur för "rökningspistol", sa Zhang, en teoretisk fysiker och en av seniorförfattarna till forskningsrapporten. "Denna upptäckt avslutar en av de mest intensiva sökningarna inom grundläggande fysik, som sträckte sig exakt 80 år. "

Även om sökandet efter den berömda fermion verkar mer intellektuellt än praktiskt, han lade till, det kan ha verkliga konsekvenser för att bygga robusta kvantdatorer, även om detta visserligen ligger långt fram i tiden.

Den speciella typen Majorana fermion som forskargruppen observerade är känd som en "kiral" fermion eftersom den rör sig längs en endimensionell väg i bara en riktning. Även om de experiment som producerade det var extremt svåra att föreställa sig, ställa upp och utföra, signalen de producerade var tydlig och otvetydig, sa forskarna.

"Denna forskning kulminerar en jakt i många år för att hitta kirala Majorana fermioner. Det kommer att vara ett landmärke i fältet, sa Tom Devereaux, chef för Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) vid SLAC National Accelerator Laboratory, där Zhang är en huvudutredare.

"Det verkar vara en riktigt ren observation av något nytt, "sa Frank Wilczek, en teoretisk fysiker och nobelpristagare vid Massachusetts Institute of Technology som inte var inblandad i studien. "Det är inte i grunden förvånande, eftersom fysiker länge har trott att Majorana fermioner kan uppstå ur de typer av material som används i detta experiment. Men de sammanställde flera element som aldrig hade satts ihop tidigare, och konstruera saker så att denna nya typ av kvantpartikel kan observeras i en ren, robust sätt är en verklig milstolpe. "

Sök efter 'kvasipartiklar'

Majoranas förutsägelse gällde endast fermioner som inte har någon laddning, som neutron och neutrino. Forskare har sedan dess hittat en antipartikel för neutronen, men de har goda skäl att tro att neutrino kan vara sin egen antipartikel, och det pågår fyra experiment för att ta reda på det-inklusive EXO-200, den senaste inkarnationen av Enriched Xenon Observatory, i New Mexico. Men dessa experiment är utomordentligt svåra och förväntas inte ge något svar på ungefär ett decennium.

För cirka 10 år sedan, forskare insåg att Majorana fermioner också kan skapas i experiment som utforskar materialets fysik - och loppet var på gång för att få det att hända.

Vad de har letat efter är "kvasipartiklar"-partikelliknande excitationer som uppstår ur elektronernas kollektiva beteende i supraledande material, som leder elektricitet med 100 procent effektivitet. Processen som ger upphov till dessa kvasipartiklar liknar hur energi förvandlas till kortlivade "virtuella" partiklar och åter till energi igen i rymdens vakuum, enligt Einsteins berömda ekvation E =mc2. Även om kvasipartiklar inte är som de partiklar som finns i naturen, de skulle ändå betraktas som riktiga Majorana fermioner.

Under de senaste fem åren har forskare har haft viss framgång med detta tillvägagångssätt, rapporterade att de hade sett lovande Majorana fermionsignaturer i experiment som involverade supraledande nanotrådar.

Men i de fallen var kvasipartiklarna "bundna" - fästa på en viss plats, snarare än att sprida sig i rum och tid - och det var svårt att säga om andra effekter bidrog till de signaler forskare såg, sa Zhang.

En "rykande pistol"

I de senaste experimenten vid UCLA, UC-Davis och UC-Irvine, teamet staplade tunna filmer av två kvantmaterial – en supraledare och en magnetisk topologisk isolator – och skickade en elektrisk ström genom dem, allt inuti en kyld vakuumkammare.

Den översta filmen var en superledare. Den nedersta var en topologisk isolator, som endast leder ström längs dess yta eller kanter men inte genom dess mitt. Genom att sätta ihop dem skapades en supraledande topologisk isolator, där elektroner zippas längs två kanter av materialets yta utan motstånd, som bilar på en motorväg.

Det var Zhangs idé att justera den topologiska isolatorn genom att lägga till en liten mängd magnetiskt material till den. Detta fick elektronerna att flöda en väg längs ena kanten av ytan och motsatt väg längs den motsatta kanten.

Sedan svepte forskarna en magnet över traven. Detta gjorde elektronflödet långsamt, stanna och byta riktning. Dessa förändringar var inte smidiga, men skedde i plötsliga steg, som identiska trappor i en trappa.

Vid vissa punkter i denna cykel, Majorana quasiparticles uppstod, uppstår parvis ur det superledande skiktet och färdas längs kanterna på den topologiska isolatorn precis som elektronerna gjorde. En medlem av varje par avböjdes ur banan, tillåter forskarna att enkelt mäta flödet av de enskilda kvasipartiklarna som fortsatte smida framåt. Liksom elektronerna, de saktade ner, stannade och bytte riktning - men i steg exakt hälften så höga som de som elektronerna tog.

Dessa halvsteg var det rökpistolbevis forskarna hade letat efter.

Resultaten av dessa experiment kommer sannolikt inte att ha någon effekt på ansträngningarna att avgöra om neutrino är en egen antipartikel, sa Stanford fysikprofessor Giorgio Gratta, som spelade en stor roll i utformningen och planeringen av EXO-200.

"De kvasipartiklar de observerade är i huvudsak excitationer i ett material som beter sig som Majorana -partiklar, "Gratta sa." Men de är inte elementära partiklar och de är gjorda på ett mycket konstgjort sätt i ett mycket speciellt förberett material. Det är mycket osannolikt att de förekommer ute i universum, även om vem är vi att säga? Å andra sidan, neutrinoer finns överallt, och om de visar sig vara Majorana-partiklar skulle vi visa att naturen inte bara har gjort den här typen av partiklar möjliga utan, faktiskt, har bokstavligen fyllt universum med dem."

Han lade till, "Där det blir mer intressant är att analogier i fysik har visat sig vara mycket kraftfulla. Och även om de är väldigt olika djur, olika processer, kanske kan vi använda det ena för att förstå det andra. Kanske kommer vi att upptäcka något som är intressant för oss, för."

Ängelpartikel

Långt i framtiden, Zhang sa, Majorana-fermioner kan användas för att konstruera robusta kvantdatorer som inte kastas av sig av omgivningsljud, vilket har varit ett stort hinder för deras utveckling. Eftersom varje Majorana i huvudsak är en halv subatomär partikel, en enda qubit av information kan lagras i två vitt åtskilda Majorana-fermioner, minskar chansen att något kan störa dem båda samtidigt och få dem att förlora den information de bär.

Tills vidare, han föreslår ett namn för den kirala Majorana fermion som hans team upptäckte:"ängelpartikeln, "med hänvisning till den bästsäljande 2000-thrillern Angels and Demons, där ett hemligt brödraskap planerar att spränga Vatikanen med en tidsbomb vars explosiva kraft kommer från utsläpp av materia-antimateria. Till skillnad från i boken, han noterade, i Majorana fermions kvantvärld finns det bara änglar - inga demoner.