Deeltjes jagen - het is een spel dat zoveel natuurkundigen spelen. Soms vindt de jacht plaats in grote supercolliders, waar spectaculaire botsingen nodig zijn om verborgen deeltjes en nieuwe fysica te vinden. Voor natuurkundigen die vaste stoffen bestuderen, het spel speelt zich af in een heel andere omgeving en de gewilde deeltjes komen niet van woedende botsingen. In plaats daarvan, deeltjesachtige entiteiten, zogenaamde quasideeltjes, ontstaan ​​uit gecompliceerde elektronische interacties die diep in een materiaal plaatsvinden. Soms zijn de quasideeltjes gemakkelijk te onderzoeken, maar andere zijn moeilijker te herkennen, net buiten bereik op de loer.

Nieuwe metingen tonen bewijs voor de aanwezigheid van exotische Majorana-deeltjes op het oppervlak van een onconventionele supergeleider, Uranium ditelluride. Afbeelding geleverd door Dr. E. Edwards, Managing Director van Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST).

Nu heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Illinois, onder leiding van natuurkundige Vidya Madhavan, in samenwerking met onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology, de Universiteit van Maryland, Bostoncollege, en ETH Zürich, hoge resolutie microscopie-instrumenten hebben gebruikt om naar de innerlijke werking van een ongewoon type supergeleider te kijken, uranium ditelluride (UTe ₂ ). Hun metingen onthullen sterk bewijs dat dit materiaal een natuurlijke thuisbasis kan zijn voor een exotisch quasi-deeltje dat zich al tientallen jaren voor natuurkundigen verbergt. De studie is gepubliceerd in het nummer van 26 maart van: Natuur .

De deeltjes in kwestie werden in 1937 getheoretiseerd door een Italiaanse natuurkundige genaamd Ettore Majorana, en sinds toen, natuurkundigen hebben geprobeerd te bewijzen dat ze kunnen bestaan. Wetenschappers denken dat een bepaalde klasse materialen, chirale onconventionele supergeleiders genaamd, van nature Majorana's kan bevatten. UT ₂ kan alle juiste eigenschappen hebben om deze ongrijpbare quasideeltjes te spawnen.

"We kennen de fysica van conventionele supergeleiders en begrijpen hoe ze elektriciteit kunnen geleiden of elektronen van het ene uiteinde van een draad naar het andere kunnen transporteren zonder weerstand, "zei Madhavan. "Chirale onconventionele supergeleiders zijn veel zeldzamer, en de fysica is minder bekend. Het begrijpen ervan is belangrijk voor de fundamentele fysica en heeft potentiële toepassingen in kwantumcomputers, " ze zei.

Binnenkant van een normale supergeleider, de elektronen paren op een manier die verliesvrije, aanhoudende stromingen. Dit in tegenstelling tot een normale geleider, zoals koperdraad, die opwarmt als er stroom doorheen gaat. Een deel van de theorie achter supergeleiding is decennia geleden geformuleerd door drie wetenschappers van de U of I die voor hun werk een Nobelprijs voor natuurkunde kregen. Voor deze conventionele vorm van supergeleiding, magnetische velden zijn de vijand en verbreken de paren, het materiaal weer normaal te maken. Over het laatste jaar, onderzoekers toonden aan dat uraniumditelluride zich anders gedraagt.

in 2019, Sheng Ran, Nicholas Butch (beiden co-auteurs van deze studie) en hun medewerkers hebben aangekondigd dat UTe ₂ blijft supergeleidend in aanwezigheid van magnetische velden tot 65 Tesla, dat is ongeveer 10, 000 keer sterker dan een koelkastmagneet. Dit onconventionele gedrag, gecombineerd met andere metingen, bracht de auteurs van dat artikel ertoe te vermoeden dat de elektronen op een ongebruikelijke manier paren, waardoor ze weerstand konden bieden aan het uiteenvallen. De koppeling is belangrijk omdat supergeleiders met deze eigenschap zeer waarschijnlijk Majorana-deeltjes op het oppervlak kunnen hebben. De nieuwe studie van Madhavan en medewerkers versterkt de argumenten hiervoor.

Het team gebruikte een microscoop met hoge resolutie, een scanning tunneling microscoop genaamd, om bewijs te zoeken voor de ongebruikelijke elektronenparing en Majorana-deeltjes. Deze microscoop kan niet alleen het oppervlak van uraniumditelluride tot op atoomniveau in kaart brengen, maar ook onderzoeken wat er met de elektronen gebeurt. Het materiaal zelf is zilverachtig met treden die uit het oppervlak steken. Deze stapkenmerken zijn waar het bewijs voor Majorana-quasideeltjes het best te zien is. Ze zorgen voor een schone rand die, als de voorspellingen kloppen, moet handtekeningen vertonen van een continue stroom die in één richting beweegt, zelfs zonder het aanleggen van een spanning. Het team scande weerszijden van de trede en zag een signaal met een piek. Maar de piek was anders, afhankelijk van welke kant van de stap is gescand.

"Kijkend naar beide kanten van de stap, je ziet een signaal dat een spiegelbeeld van elkaar is. In een normale supergeleider, dat kan je niet vinden, " zei Madhavan. "De beste verklaring voor het zien van de spiegelbeelden is dat we direct de aanwezigheid van bewegende Majorana-deeltjes meten, " zei Madhavan. Het team zegt dat de metingen aangeven dat vrij bewegende Majorana-quasideeltjes samen in één richting circuleren, aanleiding geven tot gespiegeld, of chiraal, signalen.

Madhavan zegt dat de volgende stap is om metingen te doen die bevestigen dat het materiaal de tijdomkeringssymmetrie heeft verbroken. Dit betekent dat de deeltjes anders zouden moeten bewegen als de tijdpijl theoretisch zou worden omgekeerd. Een dergelijke studie zou aanvullend bewijs leveren voor de chirale aard van UTe ₂ .

Indien bevestigd, uranium ditelluride zou het enige materiaal zijn, anders dan supervloeibaar He-3, bewezen een chirale onconventionele supergeleider te zijn. "Dit is een enorme ontdekking die ons in staat zal stellen deze zeldzame vorm van supergeleiding te begrijpen, en misschien, op tijd, we zouden zelfs Majorana-quasideeltjes kunnen manipuleren op een nuttige manier voor de kwantuminformatiewetenschap."