En rapport från 2017 om upptäckten av en viss typ av Majorana-fermion - den kirala Majorana-fermion, hänvisad till som "ängelpartikeln" - är sannolikt ett falskt alarm, enligt ny forskning. Majorana-fermioner är gåtfulla partiklar som fungerar som sin egen antipartikel och antogs först existera 1937. De är av enormt intresse för fysiker eftersom deras unika egenskaper skulle kunna göra det möjligt för dem att användas i konstruktionen av en topologisk kvantdator.

Ett team av fysiker vid Penn State och University of Wurzburg i Tyskland ledd av Cui-Zu Chang, en biträdande professor i fysik vid Penn State studerade över tre dussin enheter liknande den som användes för att producera ängelpartikeln i 2017 års rapport. De fann att den egenskap som påstods vara manifestationen av ängelpartikeln var osannolikt att induceras av ängelpartikelns existens. Ett papper som beskriver forskningen visas den 3 januari, 2020 i tidningen Vetenskap .

"När den italienska fysikern Ettore Majorana förutspådde möjligheten av en ny fundamental partikel som är dess egen antipartikel, lite kunde han ha föreställt sig de långvariga konsekvenserna av hans fantasifulla idé, sa Nitin Samarth, Avdelningschef för Downsbrough och professor i fysik vid Penn State. "Över 80 år efter Majoranas förutsägelse, fysiker fortsätter att aktivt söka efter signaturer av den fortfarande svårfångade "Majorana fermion" i olika hörn av universum."

I ett sådant försök, partikelfysiker använder underjordiska observatorier som försöker bevisa om den spökliknande partikel som kallas neutrinon - en subatomär partikel som sällan interagerar med materia - kan vara en Majorana-fermion. På en helt annan front, kondenserade fysiker försöker upptäcka manifestationer av Majorana -fysik i solid state -enheter som kombinerar exotiska kvantmaterial med supraledare. I sådana enheter, elektroner teoretiseras för att klä sig som Majorana fermioner genom att sy ihop ett tyg konstruerat utifrån kärnaspekter av kvantmekanik, relativistisk fysik, och topologi. Denna analoga version av Majorana fermioner har särskilt fångat uppmärksamheten hos kondenserade fysiker eftersom den kan utgöra en väg för att konstruera en "topologisk kvantdator" vars qubits (kvantversioner av binära 0:or och 1:or) är i sig skyddade från miljödekoherens - förlusten av information som uppstår när ett kvantsystem inte är perfekt isolerat och ett stort hinder i utvecklingen av kvantdatorer.

"Ett viktigt första steg mot denna avlägsna dröm om att skapa en topologisk kvantdator är att visa definitiva experimentella bevis för förekomsten av Majorana-fermioner i kondenserad materia, "sa Chang." Under de senaste sju eller så åren, flera experiment har gjort anspråk på att visa sådana bevis, men tolkningen av dessa experiment diskuteras fortfarande."

Teamet studerade enheter tillverkade av ett kvantmaterial känt som en "kvantavvikande Hall-isolator" där den elektriska strömmen flyter endast vid kanten. En ny studie förutspådde att när kantströmmen är i ren kontakt med en superledare, propagerande kirala Majorana-fermioner skapas och enhetens elektriska ledningsförmåga bör vara "halvkvantiserad" (ett värde på e2/2h där "e" är elektronladdningen och "h" är Planck-konstant), när de utsätts för ett exakt magnetfält. Penn State-Wurzburg-teamet studerade över tre dussin enheter med flera olika materialkonfigurationer och fann att enheter med en ren supraledande kontakt alltid visar det halvkvantiserade värdet oavsett magnetfältsförhållanden. Detta beror på att supraledaren fungerar som en elektrisk kortslutning och är således inte en indikation på närvaron av Majorana-fermion.

"Det faktum att två laboratorier - i Penn State och i Wurzburg - hittade helt överensstämmande resultat med användning av en mängd olika enhetskonfigurationer ställer allvarliga tvivel om giltigheten av den teoretiskt föreslagna experimentgeometrin och ifrågasätter 2017 års påstående om att observera ängelpartikeln, sade Moses Chan, Även Pugh professor emeritus i fysik vid Penn State.

"Jag är fortfarande optimistisk att kombinationen av kvantanomala Hall-isolatorer och supraledning är ett attraktivt schema för att realisera chirala Majoranas, " sa Morteza Kayyalha, en postdoktoral forskningsassistent vid Penn State som utförde enhetens tillverkning och mätningar. "Men våra teoretikerkollegor måste tänka om enhetens geometri."

"Detta är en utmärkt illustration av hur vetenskap bör fungera, ", sade Samarth. "Extraordinära påståenden om upptäckt måste noggrant undersökas och reproduceras. Alla våra postdoktorer och studenter arbetade verkligen hårt för att se till att de utförde mycket noggranna tester av tidigare påståenden. Vi ser också till att alla våra data och metoder delas transparent med samhället så att våra resultat kan utvärderas kritiskt av intresserade kollegor."