Een rapport uit 2017 van de ontdekking van een bepaald soort Majorana-fermion - het chirale Majorana-fermion, aangeduid als het "engeldeeltje" - is waarschijnlijk een vals alarm, volgens nieuw onderzoek. Majorana-fermionen zijn raadselachtige deeltjes die fungeren als hun eigen antideeltje en waarvan voor het eerst werd aangenomen dat ze bestonden in 1937. Ze zijn van enorm belang voor natuurkundigen omdat ze dankzij hun unieke eigenschappen kunnen worden gebruikt bij de constructie van een topologische kwantumcomputer.

Een team van natuurkundigen van Penn State en de Universiteit van Würzburg in Duitsland onder leiding van Cui-Zu Chang, een assistent-professor natuurkunde aan Penn State bestudeerde meer dan drie dozijn apparaten die vergelijkbaar waren met degene die werd gebruikt om het engeldeeltje in het rapport van 2017 te produceren. Ze ontdekten dat het onwaarschijnlijk was dat het kenmerk waarvan werd beweerd dat het de manifestatie van het engeldeeltje was, veroorzaakt zou worden door het bestaan ​​van het engeldeeltje. Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, verschijnt op 3 januari, 2020 in het journaal Wetenschap .

"Toen de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana de mogelijkheid voorspelde van een nieuw fundamenteel deeltje dat zijn eigen antideeltje is, hij had zich de langdurige implicaties van zijn fantasierijke idee nauwelijks kunnen voorstellen, " zei Nitin Samarth, Afdelingshoofd Downsbrough en hoogleraar natuurkunde aan Penn State. "Meer dan 80 jaar na de voorspelling van Majorana, natuurkundigen blijven actief zoeken naar handtekeningen van het nog steeds ongrijpbare "Majorana-fermion" in verschillende uithoeken van het universum."

In een dergelijke poging, deeltjesfysici gebruiken ondergrondse observatoria die proberen te bewijzen of het spookachtige deeltje dat bekend staat als het neutrino - een subatomair deeltje dat zelden interageert met materie - een Majorana-fermion zou kunnen zijn. Op een heel ander front, natuurkundigen van gecondenseerde materie proberen manifestaties van Majorana-fysica te ontdekken in solid-state apparaten die exotische kwantummaterialen combineren met supergeleiders. Bij dergelijke apparaten Er wordt getheoretiseerd dat elektronen zichzelf kleden als Majorana-fermionen door een weefsel aan elkaar te naaien dat is opgebouwd uit kernaspecten van de kwantummechanica, relativistische fysica, en topologie. Deze analoge versie van Majorana-fermionen heeft in het bijzonder de aandacht getrokken van fysici van de gecondenseerde materie omdat het een weg kan bieden voor het bouwen van een "topologische kwantumcomputer" waarvan de qubits (kwantumversies van binaire nullen en enen) inherent beschermd zijn tegen omgevingsdecoherentie - het verlies van informatie die ontstaat wanneer een kwantumsysteem niet perfect geïsoleerd is en een grote hindernis vormt bij de ontwikkeling van kwantumcomputers.

"Een belangrijke eerste stap naar deze verre droom van het creëren van een topologische kwantumcomputer is het aantonen van definitief experimenteel bewijs voor het bestaan ​​van Majorana-fermionen in gecondenseerde materie, " zei Chang. "In de afgelopen zeven jaar of zo, verschillende experimenten hebben beweerd dergelijk bewijs te tonen, maar de interpretatie van deze experimenten wordt nog steeds besproken."

Het team bestudeerde apparaten die zijn gemaakt van een kwantummateriaal dat bekend staat als een "quantum afwijkende Hall-isolator" waarbij de elektrische stroom alleen aan de rand vloeit. Een recente studie voorspelde dat wanneer de randstroom in schoon contact staat met een supergeleider, zich voortplantende chirale Majorana-fermionen worden gecreëerd en de elektrische geleiding van het apparaat moet "half gekwantiseerd" zijn (een waarde van e2/2h waarbij "e" de elektronenlading is en "h" de constante van Planck), wanneer onderworpen aan een nauwkeurig magnetisch veld. Het team van Penn State-Wurzburg bestudeerde meer dan drie dozijn apparaten met verschillende materiaalconfiguraties en ontdekte dat apparaten met een schoon supergeleidend contact altijd de half-gekwantiseerde waarde laten zien, ongeacht de magnetische veldomstandigheden. Dit gebeurt omdat de supergeleider werkt als een elektrische kortsluiting en dus niet indicatief is voor de aanwezigheid van het Majorana-fermion.

"Het feit dat twee laboratoria - in Penn State en in Wurzburg - volledig consistente resultaten hebben gevonden met behulp van een grote verscheidenheid aan apparaatconfiguraties, werpt ernstige twijfel op over de geldigheid van de theoretisch voorgestelde experimentele geometrie en zet vraagtekens bij de bewering van 2017 over het observeren van het engeldeeltje, " zei Mozes Chan, Zelfs Pugh emeritus hoogleraar natuurkunde aan Penn State.

"Ik blijf optimistisch dat de combinatie van kwantum afwijkende Hall-isolatoren en supergeleiding een aantrekkelijk schema is voor het realiseren van chirale Majorana's, " zei Morteza Kayyalha, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij Penn State die de fabricage en metingen van het apparaat heeft uitgevoerd. "Maar onze theoreticus-collega's moeten de geometrie van het apparaat heroverwegen."

"Dit is een uitstekende illustratie van hoe wetenschap zou moeten werken, "zei Samarth. "Buitengewone beweringen over ontdekking moeten zorgvuldig worden onderzocht en gereproduceerd. Al onze postdocs en studenten hebben heel hard gewerkt om ervoor te zorgen dat ze zeer rigoureuze tests van eerdere claims hebben uitgevoerd. We zorgen er ook voor dat al onze gegevens en methoden transparant worden gedeeld met de gemeenschap, zodat onze resultaten kritisch kunnen worden geëvalueerd door geïnteresseerde collega's."