Naukowcy z Princeton University wykorzystali skaningowy mikroskop tunelowy, aby pokazać strukturę atomową drutu żelaznego do atomu szerokiego na powierzchni ołowiu. Powiększona część obrazu pokazuje kwantowe prawdopodobieństwo zawartości drutu nieuchwytnej cząstki zwanej fermionem Majorany. Ważne jest, aby zauważyć, że obraz pokazuje cząsteczki na końcu drutu, czyli dokładnie tam, gdzie przewidywania teoretyczne przewidywano przez wiele lat.
Jeśli myśleliście, że poszukiwanie bozonu Higgsa - nieuchwytnej cząstki, która daje masę materii - było epickie, to pomyślcie o fizykach, którzy próbowali znaleźć sposób na odkrycie innej subatomowej cząstki ukrytej od lat 30. XX wieku, kiedy pojawiło się pierwsze założenie.
Ale teraz, dzięki użyciu 2 fantastycznych dużych mikroskopów, odkryto tę bardzo dziwną i potencjalnie rewolucyjną cząstkę.
Wyobraź sobie fermion Majorany, cząstkę, która jest również jej własną antycząstką, kandydatem na ciemną materię i możliwym mediatorem obliczeń kwantowych.
Nazwa Fermion Majorana pochodzi od włoskiego fizyka Ettore Majorany, który sformułował teorię opisującą tę wyjątkową cząstkę. W 1937 roku Majorana przewidywała, że w naturze może istnieć stabilna cząstka, która jest zarówno materią, jak i antymaterią. W naszym codziennym doświadczeniu jest także materia (która występuje w obfitości w naszym Wszechświecie) i antymateria (co jest niezwykle rzadkie). Jeśli materia i antymateria się spotkają, anihilują, znikają w błysku energii. Jedną z największych tajemnic współczesnej fizyki jest to, jak Wszechświat stał się bardziej materią niż antymaterią. Logika dyktuje, że materia i antymateria są częściami tej samej rzeczy, jak przeciwne strony monety, i powinny zostać stworzone w tym samym tempie. W tym przypadku wszechświat zostałby zniszczony, zanim mógłby się ustanowić. Jednak niektóre procesy po Wielkim Wybuchu pokazują, że wyprodukowano więcej materii niż antymaterii, dlatego ważne jest, aby materia wygrała, która wypełnia Wszechświat, który dziś znamy i kochamy.
Jednak fermion Majorana ma inne właściwości i jest także antycząstką. Podczas gdy elektron jest materią, a pozyton jest anty-materialną cząstką elektronu, fermion Majorany jest zarówno materią, jak i antymaterią. To właśnie ta materialna / anty-materialna dualizm sprawiła, że ta mała bestia była tak trudna do prześledzenia w ciągu ostatnich 8 lat. Ale fizycy tak zrobili i aby wykonać to zadanie, potrzebowali ogromnej pomysłowości i ogromnego mikroskopu.
Teoria pokazuje, że fermion Majorany powinien rozciągać się na krawędzi innych materiałów. W ten sposób zespół z Princeton University stworzył drut żelazny w gruby atom na powierzchni ołowiu i dokonał wzrostu na końcu drutu przy użyciu mega-mikroskopu w laboratorium ultra niskich wibracji w Yadwin Hall w Princeton.
„Jest to najprostszy sposób na obejrzenie fermionu Majorana, który ma powstać na krawędzi niektórych materiałów”, mówi w komunikacie prasowym czołowy fizyk Ali Yazdani z Princeton University, New Jersey. „Jeśli chcesz znaleźć tę cząstkę wewnątrz materiału, musisz użyć mikroskopu, który pozwoli ci zobaczyć, gdzie ona naprawdę jest”. Badania Yazdaniego zostały opublikowane w czasopiśmie Science w czwartek (2 października). Poszukiwanie fuzji Majorany różni się znacząco od poszukiwania innych cząstek subatomowych, które są bardziej oświetlone w szerokiej prasie. Polowanie na bozon Higgsa (i podobne cząstki) wymaga najpotężniejszych akceleratorów na planecie, aby wygenerować ogromną kolizję energii niezbędną do symulowania warunków wkrótce po Wielkim Wybuchu. Jest to jedyny sposób na wyizolowanie szybko zanikającego bozonu Higgsa, a następnie zbadanie produktów jego rozpadu.
W przeciwieństwie do tego, fermion Majorany może zostać wykryty w substancji jedynie dzięki wpływowi na atomy i otaczające go siły - tak więc nie są potrzebne potężne akceleratory, ale konieczne jest użycie potężnych skanujących mikroskopów tunelowych. Niezbędne jest również bardzo precyzyjne dostrojenie materiału docelowego, aby fermion Majorana został wyizolowany i wyświetlony.
Ta ścisła kontrola wymaga ekstremalnego chłodzenia cienkich drutów żelaznych, aby zapewnić nadprzewodnictwo. Nadprzewodnictwo osiąga się, gdy fluktuacje termiczne materiału są zredukowane do takiego stopnia, że elektrony mogą przejść przez ten materiał z zerowym oporem. Poprzez zmniejszenie celu do 272 stopni Celsjusza - do jednego stopnia powyżej zera bezwzględnego lub 1 Kelwina - można uzyskać idealne warunki do utworzenia fermionu Majorana.
„To pokazuje, że ten sygnał (Majorana) istnieje tylko na krawędzi”, powiedział Yazdani. „To jest kluczowy podpis. Jeśli go nie masz, ten sygnał może istnieć z innych powodów. ” Poprzednie eksperymenty usunęły możliwe sygnały z fermionu Majorana w podobnych instalacjach, ale po raz pierwszy pojawił się określony sygnał cząstkowy, po usunięciu wszystkich źródeł zakłóceń, dokładnie w miejscu, w którym przewiduje się, że będzie. „Można to osiągnąć tylko dzięki eksperymentalnej konfiguracji - prostej i bez użycia egzotycznych materiałów, które mogłyby przeszkadzać” - powiedział Yazdani.
„Interesujące jest to, że jest bardzo proste: to ołów i żelazo”, powiedział.
Stwierdzono, że istnieje kilka interesujących możliwości dla kilku dziedzin współczesnej fizyki, inżynierii i astrofizyki.
Na przykład fermion Majorana słabo oddziałuje ze zwykłą materią, podobnie jak widmowe neutrino. Fizycy nie są pewni, czy neutrina mają oddzielną antycząstkę, czy, podobnie jak w przypadku Majorany, jest jej własną antycząstką. Neutrina obfitują we wszechświecie, a astronomowie często wskazują, że neutrina są dużą częścią ciemnej materii, która ma wypełniać Kosmos. Prawdopodobnie neutrina są takie same jak cząstki Majorany i Fermionów, Majorana jest także kandydatem na ciemną materię.
Istnieje również potencjalnie rewolucyjna aplikacja przemysłowa, jeśli fizycy mogą kodować materię za pomocą fermionów Majorany. Obecnie elektrony są wykorzystywane w komputerach kwantowych, potencjalnie tworząc komputery, które mogą natychmiast rozwiązać niezliczone systemy. Ale elektrony są bardzo trudne do kontrolowania i często naruszają obliczenia po interakcji z innymi otaczającymi je materiałami. Jednakże fermion Majorany, który jest niezwykle słabo oddziałujący z materiałem, jest zaskakująco stabilny ze względu na jego dualizm materialny / anty-materialny. Z tych powodów naukowcy mogą wykorzystać tę cząstkę, technicznie stosując ją w materiałach, kodując i ewentualnie odkrywając coraz więcej nowych metod obliczeń kwantowych.
Tak więc, chociaż jego odkrycie nie powoduje dramatyzmu i sklejania relatywistycznych cząstek razem w komorach próżniowych detektorów LHC, bardziej subtelne odkrycie Majorany może rozwinąć nowe podejście do ciemnej materii i dokonać rewolucji w informatyce.
I może mimo wszystko 80-letnie oczekiwanie na jego otwarcie było tego warte.
