Znanstveniki s Princetonske univerze so uporabili skenirni tunelski mikroskop, da bi prikazali atomsko strukturo železne žice širokemu atomu na vodilni površini. Povečani del slike prikazuje kvantno verjetnost vsebine v žici izmuzljivega delca, imenovanega Majorana fermion. Pomembno je omeniti, da slika prikazuje delce na koncu žice, kjer so teoretični izračuni predvideni že več let.
Če ste mislili, da je iskanje Higgsovega bozona - nedosegljivega delca, ki daje maso snovi - epsko, potem pomislite na fizike, ki so poskušali najti način, da odkrijejo drug subatomski delček, ki je bil skrit od tridesetih let prejšnjega stoletja, ko se je pojavila prva predpostavka.
Zdaj, zahvaljujoč uporabi dveh fantastičnih velikih mikroskopov, je bil odkrit ta zelo čuden in potencialno revolucionarni delec.
Predstavljajte si Majoranino fermion, delce, ki je tudi njegova lastna antičestica, kandidat za temno snov in možni posrednik kvantnega računanja.
Fermion Majorana je dobila ime po italijanskem fiziku, Ettoru Majorani, ki je oblikoval teorijo, ki opisuje ta edinstveni delček. Leta 1937 je Majorana napovedala, da lahko v naravi obstaja stabilen delček, ki je hkrati materija in antimaterija. V naši vsakdanji izkušnji je tudi materija (ki jo najdemo v izobilju v našem vesolju) in antimaterija (ki je izjemno redka). Če se materija in antimaterija srečata, izničita in izgineta v bliskavici energije. Ena od največjih skrivnosti sodobne fizike je, kako je vesolje postalo več snovi kot antimaterija. Logika narekuje, da sta materija in antimaterija deli iste stvari, kot so nasprotne strani kovanca, in bi morali biti ustvarjeni z enako hitrostjo. V tem primeru bi bilo vesolje uničeno, preden bi se lahko vzpostavilo. Vendar pa nekateri procesi po Velikem poku kažejo, da je bila proizvedena več snovi kot antimaterija, zato je pomembno, da je stvar zmagala, ki zapolnjuje vesolje, ki ga poznamo in ljubimo danes.
Vendar je fermion Majorane drugačen po svojih lastnostih in je tudi antičelik. Medtem ko je elektron materija in pozitron je protimaterialni delec elektrona, je Majorana fermion materija in antimaterija. Zaradi te materialne / protimaterialne dvojnosti je ta zver tako težko izslediti v zadnjih 8 letih. Toda fiziki so to storili, in da bi izpolnili nalogo, je vzel ogromno iznajdljivost in izjemno velik mikroskop.
Teorija kaže, da bi se moralo Majorana razširilo na rob drugih materialov. Tako je ekipa Princetonove univerze ustvarila železno žico v debelem atomu na vodilni površini in na koncu žice povečala z mega-mikroskopom v laboratoriju ultra-nizkih vibracij v dvorani Yadwin v Princetonu.
"To je najlažji način, da vidimo Majorano fermion, ki naj bi nastal na robu nekaterih materialov," pravi vodilni fizik Ali Yazdani s Princeton University v New Jerseyju v sporočilu za javnost. "Če želite najti ta delček v materialu, morate uporabiti mikroskop, ki vam omogoča, da vidite, kje v resnici je." Raziskava Yazdanija je bila v četrtek (2. oktober) objavljena v reviji Science. Iskanje fermoion Majorane se bistveno razlikuje od iskanja drugih subatomskih delcev, ki so v širšem tisku bolj osvetljeni. Lov na Higgsov bozon (in podobne delce) zahteva, da najmočnejši pospeševalci na planetu ustvarijo ogromen energetski trk, ki je potreben za simulacijo pogojev kmalu po Big Bangu. To je edini način, da izoliramo hitro razpadajoči Higgsov bozon in nato preučimo produkte njegovega razpadanja.
V nasprotju s tem se fermion Majorane lahko zazna samo v snovi s svojim učinkom na atome in sile, ki ga obdajajo - tako da niso potrebni močni pospeševalniki, vendar je potrebna uporaba močnih mikroskopov za tuneliranje. Potrebna je tudi zelo natančna nastavitev ciljnega materiala, da se fermion Majorane izolira in prikaže.
Ta strog nadzor zahteva izjemno hlajenje tankih železnih žic, da se zagotovi superprevodnost. Superprevodnost je dosežena, ko se toplotne fluktuacije materiala zmanjšajo do te mere, da lahko elektroni skozi to snov preidejo z ničelno upornostjo. Z zmanjšanjem tarče na 272 stopinj Celzija - do ene stopnje nad absolutno ničlo ali 1 kelvinov - se lahko dosežejo idealni pogoji za tvorbo fermiona Majorana.
"To kaže, da ta (Majorana) signal obstaja le na robu," je dejal Yazdani. »To je ključni podpis. Če ga nimate, lahko ta signal obstaja iz drugih razlogov. " Prejšnji poskusi so odstranili možne signale iz fermiona Majorane v podobnih instalacijah, toda to je prvič, da se je pojavil določen signal delcev, potem ko je odstranil vse vire motenj, točno tam, kjer je predvideno. »To lahko dosežemo le s poskusno postavitvijo - preprosto in brez uporabe eksotičnih materialov, ki bi lahko motili,« je dejal Yazdani.
»Zanimivo je, da je zelo preprosto: svinec in železo,« je dejal.
Ugotovili smo, da obstajajo zanimive priložnosti za več področij sodobne fizike, inženiringa in astrofizike.
Na primer, Majorana fermion slabo sodeluje z običajno snovjo, prav tako kot sovražni neutrino. Fiziki niso prepričani, ali imajo nevtrini ločen antičelist, ali pa je, tako kot fermoion Majorane, lasten antičel. Neutrini obilujejo v vesolju in astronomi pogosto poudarjajo, da so neutrini velik del temne snovi, ki naj bi poln Cosmos. Verjetno so neutrini enaki delcem Majorane in Fermionov, ki so tudi kandidati za temno snov.
Obstaja tudi potencialno revolucionarna industrijska uporaba, če lahko fiziki kodirajo stvar z Majorana fermionom. Trenutno se elektroni uporabljajo v kvantnem računanju, kar lahko ustvarja računalnike, ki lahko v trenutku rešijo prej neštete sisteme. Elektroni pa so zelo težko nadzorovati in pogosto kršijo izračune po interakciji z drugimi materiali okoli njih. Vendar je fermion Majorane, ki je izjemno šibko povezan z materialom, presenetljivo stabilen zaradi svoje materialne / protimaterialne dvojnosti. Zaradi teh razlogov lahko znanstveniki uporabijo ta delček, ga tehnično uporabijo v materialih, kodirajo in po možnosti odkrivajo vedno nove metode kvantnega računanja.
Čeprav njegovo odkritje ne ustvarja drame in potiska relativističnih delcev v vakuumske komore detektorjev LHC, bolj subtilno odkritje Majorane lahko razvije nov pristop k temni snovi in revolucionira računalništvo.
In morda je bilo 80-letno čakanje na njegovo odprtje vredno, navsezadnje.
