Nya mätningar visar bevis för förekomsten av exotiska Majorana -partiklar på ytan av en okonventionell superledare, Uran ditellurid. Upphovsman:Dr E. Edwards, VD för Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST).
Partikeljakt - det är ett spel som så många fysiker spelar. Ibland sker jakten i stora supercolliders, där spektakulära kollisioner är nödvändiga för att hitta dolda partiklar och ny fysik. För fysiker som studerar fasta ämnen, spelet förekommer i en mycket annorlunda miljö och de eftertraktade partiklarna kommer inte från rasande kollisioner. Istället, partikelliknande enheter, kallas kvasipartiklar, kommer från komplicerade elektroniska interaktioner som händer djupt i ett material. Ibland är kvasipartiklarna lätta att sondera, men andra är svårare att upptäcka, lurar precis utom räckhåll.
Nya mätningar visar bevis för förekomsten av exotiska Majorana -partiklar på ytan av en okonventionell superledare, Uran ditellurid. Grafik tillhandahålls av Dr E. Edwards, VD för Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST).
Nu är ett team av forskare vid University of Illinois, ledd av fysikern Vidya Madhavan, i samarbete med forskare från National Institute of Standards and Technology, University of Maryland, Boston College, och ETH Zürich, har använt högupplösta mikroskopiverktyg för att titta på de inre funktionerna i en ovanlig typ av superledare, uran ditellurid (UTe 2 ). Deras mätningar avslöjar starka bevis på att detta material kan vara ett naturligt hem för en exotisk kvasipartikel som har gömt sig för fysiker i årtionden. Studien publiceras i 26 mars numret av Natur .
Partiklarna i fråga teoretiserades redan 1937 av en italiensk fysiker vid namn Ettore Majorana, och sedan dess, fysiker har försökt bevisa att de kan existera. Forskare tror att en särskild klass av material som kallas kirala okonventionella superledare naturligtvis kan vara värd för Majoranas. UTe 2 kan ha alla de rätta egenskaperna för att skapa dessa svårfångade kvasipartiklar.
"Vi känner till konventionella superledares fysik och förstår hur de kan leda elektricitet eller transportera elektroner från ena änden av en tråd till den andra utan motstånd, "sa Madhavan." Chirala okonventionella superledare är mycket sällsynta, och fysiken är mindre känd. Att förstå dem är viktigt för grundläggande fysik och har potentiella tillämpningar inom kvantberäkning, " Hon sa.
Inuti en normal superledare, elektronerna kopplas ihop på ett sätt som möjliggör förlustlösa, ihållande strömmar. Detta står i kontrast till en normal ledare, som koppartråd, som värms upp när strömmen passerar genom den. En del av teorin bakom supraledning formulerades för decennier sedan av tre forskare vid U of I som fick ett nobelpris i fysik för sitt arbete. För denna konventionella typ av supraledning, magnetfält är fienden och bryter upp paren, återställa materialet till det normala. Under det senaste året, forskare visade att uran ditellurid beter sig annorlunda.
År 2019, Sheng Ran, Nicholas Butch (båda medförfattare till denna studie) och deras medarbetare meddelade att UTe 2 förblir supraledande i närvaro av magnetfält upp till 65 Tesla, vilket är ca 10, 000 gånger starkare än en kylskåpsmagnet. Detta okonventionella beteende, i kombination med andra mätningar, ledde författarna till detta papper till att anta att elektronerna parades ihop på ett ovanligt sätt som gjorde att de kunde motstå uppbrott. Parningen är viktig eftersom superledare med denna egenskap med stor sannolikhet kan ha Majorana -partiklar på ytan. Den nya studien från Madhavan och medarbetare stärker fallet för detta.
Teamet använde ett högupplöst mikroskop som kallas ett skanningstunnelmikroskop för att leta efter bevis för den ovanliga elektronparningen och Majorana-partiklar. Detta mikroskop kan inte bara kartlägga ytan av uran ditellurid ner till atomenivån utan också undersöka vad som händer med elektronerna. Materialet i sig är silverfärgat med steg som sticker upp från ytan. Dessa stegfunktioner är där bevis för Majorana quasiparticles bäst ses. De ger en ren kant som, om förutsägelserna stämmer, ska visa signaturer av en kontinuerlig ström som rör sig i en riktning, även utan applicering av spänning. Teamet skannade motsatta sidor av steget och såg en signal med en topp. Men toppen var annorlunda, beroende på vilken sida av steget som skannades.
"Tittar på båda sidorna av steget, du ser en signal som är en spegelbild av varandra. I en normal superledare, du kan inte hitta det, "sa Madhavan." Den bästa förklaringen för att se spegelbilderna är att vi direkt mäter närvaron av rörliga Majorana -partiklar, "sade Madhavan. Teamet säger att mätningarna indikerar att fritt rörliga Majorana-kvasipartiklar cirkulerar tillsammans i en riktning, ger upphov till speglade, eller kiral, signaler.
Madhavan säger att nästa steg är att göra mätningar som bekräftar att materialet har brutit tidsomvändningssymmetri. Detta innebär att partiklarna bör röra sig annorlunda om tidspilen teoretiskt vänds. En sådan studie skulle ge ytterligare bevis för UTes kirala karaktär 2 .
Om det bekräftas, uran ditellurid skulle vara det enda materialet, annat än superfluid He-3, visat sig vara en kiral okonventionell superledare. "Detta är en enorm upptäckt som gör att vi kan förstå denna sällsynta form av supraledning, och kanske, i tid, vi kan till och med manipulera Majorana -kvasipartiklar på ett användbart sätt för kvantinformationsvetenskap. "
