Een materiaal voor lage temperaturen gemaakt van de elementen praseodymium, osmium, en antimoon zou subatomaire deeltjes moeten kunnen bevatten die bekend staan ​​als Majorana-fermionen, MIT-onderzoekers hebben aangetoond in een theoretische analyse.

Majorana-fermionen, voor het eerst voorspeld door natuurkundigen in 1937, kan worden gezien als elektronen die in twee delen zijn gesplitst, die zich elk als onafhankelijke deeltjes gedragen. Deze fermionen bestaan ​​niet als elementaire deeltjes in de natuur, maar kunnen ontstaan ​​in bepaalde supergeleidende materialen in de buurt van het absolute nulpunt. Bij supergeleidende materialen elektronen stromen zonder weerstand en genereren weinig of geen warmte.

De nieuwe analyse door afgestudeerde student Vladyslav Kozii, postdoc Jörn Venderbos, en Lawrence C. (1944) en Sarah W. Biedenharn Assistent-professor voor loopbaanontwikkeling Liang Fu voorspelt dat deze speciale toestand zich zou moeten voordoen in een praseodymium, osmium en antimoonverbinding, PrOs ₄ sb ₁₂ , en soortgelijke materialen van zware metalen.

Natuurkundigen beschrijven elektronen door hun energie, momentum, en draaien. Een elektron kan een mogelijk energieniveau innemen, en een onbezet niveau wordt een gat genoemd. In de nieuwe analyse Majorana-fermionen ontstaan ​​als een kwantumsuperpositie van een elektron en een gat dat vrij kan bewegen, met elk dezelfde richting, of draaien. Deze Majorana-fermionspin kan interageren met de spin van atoomkernen in het materiaal, dus het zou moeten worden gezien met behulp van nucleaire magnetische resonantietechnieken, ze voorspellen.

"We richten ons op een bepaalde klasse van supergeleiders, laten zien dat ze Majorana-fermionen hebben als vrij verspreidende quasideeltjes in de bulk, en dan kijken hoe ze kunnen worden gedetecteerd en welke andere eigenschappen deze materialen hebben die men in de toekomst zou kunnen gebruiken voor interessante functionaliteit, ", zegt Venderbos. "Ik denk dat het heel mooi de kloof tussen experiment en theorie overbrugt en het kan nu door experimentatoren worden gebruikt." Hun artikel verscheen deze maand in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Een belangrijk natuurkundig concept in dit werk is dat van tijdomkeringssymmetrie. Een dergelijke symmetrie betekent dat de bewegingsvergelijkingen die een object of deeltje beheersen, hetzelfde blijven als men de richting van de tijd zou kunnen omkeren, waarbij de tijd eerder achteruit stroomt dan vooruit. Als de bewegingsvergelijking van elektronen in een materiaal anders is wanneer de tijd achteruit stroomt - zoals het geval is bij magneten, bijvoorbeeld - dan wordt gezegd dat de tijdomkeringssymmetrie is verbroken. Dit geeft natuurkundigen een belangrijke manier om verschillende materialen te onderscheiden. In de voorgestelde op antimoonverbinding gebaseerde supergeleider, analyse toont aan dat de Majorana-fermionen alleen kunnen bestaan ​​​​wanneer de tijdomkeringssymmetrie wordt verbroken. Bij het omkeren van de beweging in de tijd, de draaiing van de Majorana-fermionen is omgekeerd, bijvoorbeeld van met de klok mee naar tegen de klok in - en dit impliceert een andere bewegingsvergelijking voor Majorana-fermionen die teruggaan in de tijd. "Wat betreft het materiaal dat we hebben voorgesteld, eigenlijk is er een recent experiment dat bevestigt dat de tijdomkeringssymmetrie wordt verbroken in de supergeleidende toestand van dit materiaal. Dit versterkt onze conclusie dat het inderdaad een veelbelovende kandidaat is om onze theorie toe te passen, " legt Kozii uit.

Majorana-fermionen werden voor het eerst voorgesteld door de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana als een speciale wiskundige oplossing voor het kwantumgedrag van elektronen. Onderzoekers van Princeton University rapporteerden in oktober 2014 de detectie van een nuldimensionale realisatie van deze deeltjes aan het einde van een atoomketen. De MIT-theoretici laten nu zien dat de driedimensionale zich voortplantende Majorana-fermionen die ze voorspellen, worden bepaald door de oorspronkelijke vergelijking van Majorana. "De uitgebreide studie die we hebben uitgevoerd, laat zien dat dit eigenaardige deeltje nu zijn realisatie kan vinden in de vastestoffysica in een echt materiaal, ', zegt Venderbos.

Elektronen in materialen zoals metalen en halfgeleiders kunnen alleen bepaalde energieniveaus vullen, of banden, met uitgesloten, of verboden, energieniveaus die een bandgap worden genoemd. In een supergeleider, dit wordt ook wel de supergeleidende kloof genoemd. Gewoonlijk, het kost energie van buitenaf om een ​​elektron met lagere energie naar een hoger energieniveau te tillen, vooral als het een bandgap moet overbruggen. De analyse van de Fu-groepen van praseodymium, osmium, en antimoon onthult dat er enkele speciale punten zijn in het elektronische excitatiespectrum waar de bandgap verdwijnt in zijn supergeleidende toestand, wat betekent dat excitaties met lage energie mogelijk zijn. "Hoe weinig energie je ook neemt, er zal altijd opwinding zijn bij deze energie. Deze excitaties zijn precies die Majorana-fermionen waar we het over hadden, " legt Kozii uit. Venderbos voegt toe, "Er zijn enkele excitaties waarvoor je geen energie hoeft te steken of slechts een oneindig kleine hoeveelheid en je kunt nog steeds de opwinding creëren."

Opmerkend dat Fu in het verleden "een aantal fantastische voorspellingen heeft gedaan, "Princeton University hoogleraar scheikunde Robert J. Cava, die niet bij dit onderzoek betrokken was, stelt voor:"Experimentalisten moeten luisteren naar wat hij te zeggen heeft. ... Ik ben erg blij te zien dat hij en zijn collega's een analyse hebben gepresenteerd van echte materialen waarin hun ideeën zouden kunnen worden belichaamd."

Kozii, Venderbos, en Fu hebben deze onconventionele supergeleiders een jaar lang geanalyseerd. voor Kozii, het werk wordt onderdeel van zijn proefschrift.

De onderzoekers hopen dat hun werk experimentatoren zal inspireren om opnieuw naar een aantal eerder bestudeerde materialen te kijken om materialen te identificeren die supergeleidende toestanden herbergen met Majorana-fermionen. "Ik denk dat de eerste stap zou zijn om een ​​materiaal te vinden waarin iedereen het erover eens kan zijn dat het deze Majorana-fermionen bevat. Dat zou echt opwindend zijn en de ontdekking van een nieuw type supergeleider in experiment betekenen, Venderbos zegt. "De volgende stap zou zijn om na te denken over functionalisering van deze materialen, wat zouden de specifieke toepassingen kunnen zijn." Proberen om kwantumapparaten te maken van deze materialen is een mogelijke richting. "We hopen dat dit onderzoek uiteindelijk de inspanningen van de gemeenschap van kwantummaterialen en kwantumapparaten dichterbij brengt om de vele facetten van Majorana-fermionen te ontdekken, ' voegt Fu toe.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.