1928, natuurkundige Paul Dirac deed de verbluffende voorspelling dat elk fundamenteel deeltje in het universum een ​​antideeltje heeft - zijn identieke tweeling maar met tegengestelde lading. Wanneer deeltje en antideeltje elkaar zouden ontmoeten, zouden ze worden vernietigd, een straaltje energie vrijgeven. Zowaar, een paar jaar later het eerste antimateriedeeltje - het tegenovergestelde van het elektron, het positron - werd ontdekt, en antimaterie werd al snel onderdeel van de populaire cultuur.

Maar in 1937, nog een briljante fysicus, Ettore Majorana, introduceerde een nieuwe draai:hij voorspelde dat in de klasse van deeltjes die bekend staat als fermionen, waaronder het proton, neutron, elektron, neutrino en quark, er zouden deeltjes moeten zijn die hun eigen antideeltjes zijn.

Nu zegt een team met wetenschappers van Stanford dat het het eerste harde bewijs van zo'n Majorana-fermion heeft gevonden. Het werd ontdekt in een reeks laboratoriumexperimenten op exotische materialen aan de Universiteit van Californië in samenwerking met Stanford University. Het experimentele team werd geleid door UCLA-professor Kang Wang, en nauwkeurige theoretische voorspellingen werden gedaan door de groep van Stanford Professor Shoucheng Zhang, in samenwerking met experimentele groepen onder leiding van universitair hoofddocent Jing Xia aan UC-Irvine en professor Kai Liu aan UC-Davis. Het team rapporteerde de resultaten op 20 juli in Wetenschap .

"Ons team voorspelde precies waar het Majorana-fermion te vinden was en waar het op moest letten als zijn experimentele handtekening, " zei Zhang, een theoretisch fysicus en een van de senior auteurs van het onderzoekspaper. "Deze ontdekking beëindigt een van de meest intensieve zoektochten in de fundamentele fysica, die precies 80 jaar overspande."

Hoewel de zoektocht naar het beroemde fermion meer intellectueel dan praktisch lijkt, hij voegde toe, het kan real-life implicaties hebben voor het bouwen van robuuste kwantumcomputers, hoewel dit weliswaar ver in de toekomst ligt.

Het specifieke type Majorana-fermion dat het onderzoeksteam heeft waargenomen, staat bekend als een "chiraal" fermion omdat het langs een eendimensionaal pad in slechts één richting beweegt. Hoewel de experimenten die het voortbrachten buitengewoon moeilijk waren om zwanger te worden, opzetten en uitvoeren, het signaal dat ze produceerden was duidelijk en ondubbelzinnig, aldus de onderzoekers.

"Dit onderzoek culmineert in een jarenlange zoektocht om chirale Majorana-fermionen te vinden. Het zal een mijlpaal in het veld zijn, " zei Tom Devereaux, directeur van het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij SLAC National Accelerator Laboratory, waar Zhang een hoofdonderzoeker is.

"Het lijkt een echt zuivere observatie van iets nieuws, " zei Frank Wilczek, een theoretisch fysicus en Nobelprijswinnaar aan het Massachusetts Institute of Technology die niet bij het onderzoek betrokken was. "Het is niet fundamenteel verrassend, omdat natuurkundigen lang hebben gedacht dat Majorana-fermionen zouden kunnen ontstaan ​​uit de soorten materialen die in dit experiment worden gebruikt. Maar ze stelden verschillende elementen samen die nog nooit eerder in elkaar waren gezet, en technische dingen, zodat dit nieuwe soort kwantumdeeltje kan worden waargenomen in een schone, robuuste manier is een echte mijlpaal."

Zoeken naar 'quasideeltjes'

Majorana's voorspelling gold alleen voor fermionen die geen lading hebben, zoals het neutron en neutrino. Wetenschappers hebben sindsdien een antideeltje voor het neutron gevonden, maar ze hebben goede redenen om te geloven dat het neutrino zijn eigen antideeltje zou kunnen zijn, en er zijn vier experimenten aan de gang om erachter te komen - waaronder EXO-200, de nieuwste incarnatie van het Enriched Xenon Observatory, in Nieuw-Mexico. Maar deze experimenten zijn buitengewoon moeilijk en zullen naar verwachting pas over tien jaar een antwoord opleveren.

Ongeveer 10 jaar geleden, wetenschappers realiseerden zich dat Majorana-fermionen ook zouden kunnen worden gemaakt in experimenten die de fysica van materialen onderzoeken - en de race was aan de gang om dat mogelijk te maken.

Waar ze naar op zoek waren, zijn "quasideeltjes" - deeltjesachtige excitaties die voortkomen uit het collectieve gedrag van elektronen in supergeleidende materialen, die elektriciteit geleiden met 100 procent efficiëntie. Het proces dat aanleiding geeft tot deze quasideeltjes is vergelijkbaar met de manier waarop energie verandert in kortlevende "virtuele" deeltjes en weer terug in energie in het vacuüm van de ruimte, volgens de beroemde vergelijking van Einstein E =mc2. Hoewel quasideeltjes niet zijn zoals de deeltjes die in de natuur worden gevonden, ze zouden niettemin worden beschouwd als echte Majorana-fermionen.

In de afgelopen vijf jaar, wetenschappers hebben enig succes gehad met deze aanpak, rapporteerden dat ze veelbelovende Majorana-fermionsignaturen hadden gezien in experimenten met supergeleidende nanodraden.

Maar in die gevallen waren de quasideeltjes "gebonden" - vastgemaakt aan een bepaalde plaats, in plaats van zich voort te planten in ruimte en tijd - en het was moeilijk te zeggen of andere effecten bijdroegen aan de signalen die onderzoekers zagen, zei Zhang.

Een 'rokend pistool'

In de laatste experimenten aan de UCLA, UC-Davis en UC-Irvine, het team stapelde dunne films van twee kwantummaterialen - een supergeleider en een magnetische topologische isolator - en stuurde er een elektrische stroom doorheen, allemaal in een gekoelde vacuümkamer.

De bovenste film was een supergeleider. De onderste was een topologische isolator, die stroom alleen langs het oppervlak of de randen geleidt, maar niet door het midden ervan. Door ze samen te voegen, ontstond een supergeleidende topologische isolator, waar elektronen zonder weerstand langs twee randen van het materiaaloppervlak ritselen, zoals auto's op een snelweg.

Het was Zhangs idee om de topologische isolator te tweaken door er een kleine hoeveelheid magnetisch materiaal aan toe te voegen. Dit zorgde ervoor dat de elektronen in één richting langs de ene rand van het oppervlak vloeiden en in de tegenovergestelde richting langs de tegenoverliggende rand.

Daarna zwaaiden de onderzoekers een magneet over de stapel. Dit maakte de stroom van elektronen traag, stoppen en van richting veranderen. Deze veranderingen verliepen niet soepel, maar vond plaats in abrupte stappen, als identieke trappen in een trap.

Op bepaalde punten in deze cyclus Majorana-quasideeltjes ontstonden, ontstaan ​​in paren uit de supergeleidende laag en reizen langs de randen van de topologische isolator net als de elektronen. Een lid van elk paar werd van het pad afgebogen, waardoor de onderzoekers gemakkelijk de stroom konden meten van de individuele quasideeltjes die maar bleven doorgaan. Net als de elektronen, zij vertraagden, stopte en veranderde van richting - maar in stappen die precies half zo hoog waren als de stappen die de elektronen namen.

Deze halve stappen waren het bewijs van roken waar de onderzoekers naar op zoek waren.

De resultaten van deze experimenten zullen waarschijnlijk geen effect hebben op pogingen om te bepalen of het neutrino zijn eigen antideeltje is, zei Stanford natuurkunde professor Giorgio Gratta, die een belangrijke rol speelde bij het ontwerpen en plannen van EXO-200.

"De quasideeltjes die ze hebben waargenomen, zijn in wezen excitaties in een materiaal dat zich gedraagt ​​​​als Majorana-deeltjes, "Zei Gratta. "Maar het zijn geen elementaire deeltjes en ze zijn op een heel kunstmatige manier gemaakt in een heel speciaal geprepareerd materiaal. Het is zeer onwaarschijnlijk dat ze in het heelal voorkomen, hoewel wie zijn wij om te zeggen? Anderzijds, neutrino's zijn overal, en als ze Majorana-deeltjes blijken te zijn, zouden we laten zien dat de natuur dit soort deeltjes niet alleen mogelijk heeft gemaakt, maar, in feite, heeft letterlijk het universum ermee gevuld."

Hij voegde toe, "Waar het interessanter wordt, is dat analogieën in de natuurkunde erg krachtig zijn gebleken. En zelfs als het heel verschillende beesten zijn, verschillende processen, misschien kunnen we het ene gebruiken om het andere te begrijpen. Misschien ontdekken we iets dat voor ons interessant is, te."

engel deeltje

Ver in de toekomst, Zhang zei, Majorana-fermionen kunnen worden gebruikt om robuuste kwantumcomputers te bouwen die niet worden weggegooid door omgevingsgeluid. wat een groot obstakel is geweest voor hun ontwikkeling. Aangezien elke Majorana in wezen een half subatomair deeltje is, een enkele qubit aan informatie kan worden opgeslagen in twee ver van elkaar gescheiden Majorana-fermionen, de kans verkleinen dat iets hen allebei tegelijk zou kunnen storen en ervoor zou zorgen dat ze de informatie die ze bij zich hadden, kwijtraken.

Voor nu, hij suggereert een naam voor het chirale Majorana-fermion dat zijn team ontdekte:het "engeldeeltje, " met verwijzing naar de bestverkochte thriller uit 2000 Angels and Demons, waarin een geheime broederschap samenzweert om het Vaticaan op te blazen met een tijdbom waarvan de explosieve kracht afkomstig is van de vernietiging van materie en antimaterie. Anders dan in het boek, hij merkte, in de kwantumwereld van het Majorana-fermion zijn er alleen engelen - geen demonen.