Princetoni ülikooli teadlased kasutasid skaneerivat tunnelimikroskoopi, et näidata rauast traadi aatomstruktuuri plii pinnal asuva aatomi külge. Pildi suurendatud osa näitab kvantitatiivset tõenäosust, et sisu on raskesti juhitava osakese traat, mida nimetatakse Majorana fermioniks. Oluline on märkida, et pilt näitab traadi lõpus olevaid osakesi, mis on täpselt seal, kus teoreetilised arvutused ennustatakse aastaid.
Kui arvasite, et Higgsi bosoni otsimine - raskesti mõistetav osake, mis annab materjali massile, oli eepiline, siis mõtle füüsikutele, kes püüdsid leida viisi, kuidas leida esimene subatomiline osakest, mis on peidetud alates 1930. aastatest, kui ilmnes esimene eeldus.
Kuid nüüd, tänu kahe fantastilise suure mikroskoobi kasutamisele, on see väga kummaline ja potentsiaalselt revolutsiooniline osake avastatud.
Kujutage ette Majorana fermioni, osakest, mis on ka oma anti-osakesteks, kandidaadiks pimedaks aineks ja võimalikku kvantarvutite vahendajat.
Fermion Majorana on nime saanud itaalia füüsiku Ettore Majorana järgi, kes sõnastas selle unikaalse osakese kirjeldava teooria. 1937. aastal prognoosis Majorana, et looduses võib olla stabiilne osakesi, mis on nii aine kui ka antiaine. Meie igapäevaelus on olemas ka asi (mis leidub meie universumis rohkuses) ja antimaterjal (mis on äärmiselt haruldane). Kui aine ja antiaine satuvad kokku, hävitavad nad energiavälgus. Üks kaasaegse füüsika suurimaid saladusi on see, kuidas universum muutus rohkem kui antiaine. Loogika dikteerib, et aine ja antiaine on sama asja osad, nagu mündi vastasküljed, ja need oleks tulnud luua samas tempos. Sellisel juhul oleks universum hävinud enne, kui ta saaks ennast luua. Siiski näitab mõni protsess pärast suurt põrutust, et rohkem materjali toodeti kui antimaterjali, seega on oluline, et võitnud asi, mis täidab Universumi, mida me täna teame ja armastame.
Ometi on Majorana fermion oma omaduste poolest erinev ja see on ka osakeseks. Kui elektron on asi ja positron on elektroni materjali-vastane osake, on Majorana fermion nii aine kui ka antiaine. Just see materiaalne / antimateriaalne dualiteet on selle väikese metsalise viimase 8 aasta jooksul nii raske jälgida. Kuid füüsikud tegid ja ülesande täitmiseks kulus tohutu leidlikkus ja tohutult suur mikroskoop.
Teooria näitab, et Majorana fermion peaks laienema teiste materjalide servale. Seega lõi Princetoni Ülikooli meeskond raua traadi plii pinnale paksuks aatomiks ja suurendas traadi lõpus Pradetoni Yadwin Hallis asuva ultra-madala vibratsiooni laboris mega-mikroskoopi.
„See on kõige lihtsam viis näha Majorana fermioni, mis loodetakse luua mõne materjali serval,” ütleb pressiteates New Yorgis asuv Princetoni ülikooli juhtiv füüsik Ali Yazdani. "Kui soovite selle osakese materjali sees leida, peate kasutama mikroskoopi, mis võimaldab teil näha, kus see tegelikult on." Yazdani uuring avaldati neljapäeval (2. oktoober) ajakirjas Science. Majorana fermoioni otsimine erineb märkimisväärselt teiste subatoomiliste osakeste otsimisest, mis on laialdasemas ajakirjanduses rohkem valgustatud. Higgsi bosoni (ja sarnaste osakeste) jahipidamine nõuab planeedil kõige võimsamaid kiirendeid, et tekitada tohutu energia kokkupõrge, mis on vajalik tingimuste simuleerimiseks varsti pärast suurt põrutust. See on ainus viis kiiresti laguneva Higgsi bosooni eraldamiseks ja seejärel selle lagunemise toodete uurimine.
Vastupidiselt sellele saab Majorana fermioni aines tuvastada ainult selle mõjuga aatomitele ja seda ümbritsevatele jõududele, mistõttu ei ole vaja jõulisi kiirendeid, kuid võimsa skaneeriva tunnelimikroskoobi kasutamine on vajalik. Selleks, et Majorana fermion oleks isoleeritud ja kuvatud, on vaja ka sihtmärgi materjali väga peenhäälestust.
See range kontroll eeldab õhukeste raudtraatide äärmist jahutamist, et tagada ülijuhtivus. Ülijuhtivus saavutatakse siis, kui materjali termilised kõikumised vähenevad sellisel määral, et elektronid läbivad selle materjali nulltakistusega. Vähendades sihtmärki 272 kraadini - ühe kraadi võrra üle absoluutse nulli või 1 Kelvini - saavutatakse ideaalsed tingimused Majorana fermioni moodustamiseks.
„See näitab, et see (Majorana) signaal eksisteerib ainult serval,” ütles Yazdani. „See on võtme allkiri. Kui teil seda ei ole, võib see signaal esineda ka muudel põhjustel. ” Varasemad katsed eemaldasid Majorana fermionist sarnaseid seadmeid, kuid see on esimene kord, kui pärast kõigi häireallikate eemaldamist ilmnes konkreetne osakese signaal täpselt kohas, kus see on ette nähtud. „Seda on võimalik saavutada ainult eksperimentaalse seadistusega - lihtne ja ilma eksootiliste materjalide kasutamiseta, mis võiksid segada,“ ütles Yazdani.
"Huvitav on see, et see on väga lihtne: see on plii ja raud," ütles ta.
Nüüdseks on leitud, et mitmed kaasaegse füüsika, inseneriteaduse ja astrofüüsika valdkonnad pakuvad huvitavaid võimalusi.
Näiteks Mallorana fermion suhtleb nõrgalt tavalise asjaga, nagu ka kummituslik neutrino. Füüsikud ei ole kindlad, kas neutriinodel on eraldi anti-osakestest, või nagu Majorana fermoion, on tema enda osakesed. Neutrinos on universumis rohkesti ja astronoomid viitavad sageli sellele, et neutriinod on suur osa tumedast ainest, mis arvatakse, et see täidab Cosmose. Tõenäoliselt on neutriinod samad nagu Majorana ja Fermionide osakesed, samuti on Majorana kandidaadid pimedaks aineks.
Samuti on potentsiaalselt revolutsiooniline tööstuslik rakendamine, kui füüsikud saavad kodeerida asja Majorana fermionidega. Praegu kasutatakse elektronide kasutamist kvantarvutuses, luues potentsiaalselt arvuteid, mis suudavad hetkega arvukaid süsteeme lahendada. Kuid elektronid on väga raskesti kontrollitavad ja sageli on need teiste nendega seotud materjalidega suhtlemisel rikutud. Kuid Majorana fermion, mis on materjaliga äärmiselt nõrk, on oma materiaalsest / materiaalsest dualismist tulenevalt üllatavalt stabiilne. Nendel põhjustel saavad teadlased seda osakest kasutada, rakendades seda tehniliselt materjalides, kodeerides ja võimaluse korral avastades üha rohkem uusi kvantarvutite meetodeid.
Seega, kuigi selle avastus ei tekita draama ja relativistlikke osakesi kokku LHC detektorite vaakumkambrites, võib Majorana peenem avastus välja töötada uue lähenemise tumedale ainele ja muuta revolutsiooniliselt arvutit.
Ja ehk 80-aastane ootamine selle avamiseks oli lõppude lõpuks seda väärt.
