Neutronenverstrooiing heeft in ongekend detail nieuwe inzichten onthuld in het exotische magnetische gedrag van een materiaal dat, met een beter begrip, zou de weg kunnen effenen voor kwantumberekeningen ver buiten de grenzen van de enen en nullen van de binaire code van een computer.

Een onderzoeksteam onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft magnetische handtekeningen bevestigd die waarschijnlijk verband houden met Majorana-fermionen - ongrijpbare deeltjes die de basis zouden kunnen zijn voor een kwantumbit, of qubit, in een tweedimensionaal grafeenachtig materiaal, alfa-rutheniumtrichloride. De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , verifiëren en verlengen van een 2016 Natuurmaterialen studie waarin het team van onderzoekers van ORNL, Universiteit van Tennessee, Max Planck Institute en Cambridge University stelden dit ongewone gedrag voor het eerst voor in het materiaal.

"Dit onderzoek is een belofte die is waargemaakt, " zei hoofdauteur Arnab Banerjee, een postdoctoraal onderzoeker bij ORNL. "Voordat, we suggereerden dat deze verbinding, alfa-rutheniumtrichloride, toonde de fysica van Majorana-fermionen, maar het materiaal dat we gebruikten was een poeder en verdoezelde veel belangrijke details. Nutsvoorzieningen, we kijken naar een groot enkel kristal dat bevestigt dat het ongewone magnetische spectrum consistent is met het idee van magnetische Majorana-fermionen."

Majorana-fermionen werden in 1937 getheoretiseerd door natuurkundige Ettore Majorana. Daarin zijn ze uniek, in tegenstelling tot elektronen en protonen waarvan de antideeltje-tegenhangers het positron en het antiproton zijn, deeltjes met gelijke maar tegengestelde ladingen, Majorana-fermionen zijn hun eigen antideeltje en hebben geen lading.

In 2006, natuurkundige Alexei Kitaev ontwikkelde een oplosbaar theoretisch model dat beschrijft hoe topologisch beschermde kwantumberekeningen kunnen worden bereikt in een materiaal met behulp van kwantumspinvloeistoffen, of QSL's. QSL's zijn vreemde toestanden die worden bereikt in vaste materialen waar de magnetische momenten, of "draait, " geassocieerd met elektronen vertonen een vloeistofachtig gedrag.

"Onze neutronenverstrooiingsmetingen laten ons duidelijke handtekeningen zien van magnetische excitaties die sterk lijken op het model van de Kitaev QSL, " zei corresponderende auteur Steve Nagler, directeur van de Quantum Condensed Matter Division bij ORNL. "De verbeteringen in de nieuwe metingen zijn alsof je door een telescoop naar Saturnus kijkt en de ringen voor het eerst ontdekt."

Omdat neutronen microscopisch kleine magneten zijn die geen lading dragen, ze kunnen worden gebruikt om te interageren met en andere magnetische deeltjes in het systeem te exciteren zonder de integriteit van de atomaire structuur van het materiaal in gevaar te brengen. Neutronen kunnen het magnetische spectrum van excitaties meten, onthullen hoe deeltjes zich gedragen. Het team koelde het materiaal af tot temperaturen nabij het absolute nulpunt (ongeveer minus 450 graden Fahrenheit) om een ​​directe observatie van puur kwantumbewegingen mogelijk te maken.

Met behulp van het SEQUOIA-instrument bij ORNL's Spallation Neutron Source konden de onderzoekers een beeld van de magnetische bewegingen van het kristal in zowel ruimte als tijd in kaart brengen.

"We kunnen zien hoe het magnetische spectrum zich manifesteert in de vorm van een zespuntige ster en hoe het het onderliggende honingraatrooster van het materiaal weerspiegelt, " zei Banerjee. "Als we deze magnetische excitaties in detail kunnen begrijpen, zullen we een stap dichter bij het vinden van een materiaal zijn dat ons in staat zou stellen de ultieme droom van kwantumberekeningen na te streven."

Banerjee en zijn collega's voeren aanvullende experimenten uit met toegepaste magnetische velden en variërende drukken.

"We hebben een zeer krachtige meettechniek toegepast om deze prachtige visualisaties te krijgen waarmee we de kwantumaard van het materiaal direct kunnen zien, " zei co-auteur Alan Tennant, hoofdwetenschapper voor het directoraat Neutronenwetenschappen van ORNL. "Een deel van de opwinding van de experimenten is dat ze de theorie leiden. We zien deze dingen, en we weten dat ze echt zijn."