Un materiale a bassa temperatura costituito dagli elementi praseodimio, osmio, e l'antimonio dovrebbe essere in grado di ospitare particelle subatomiche note come fermioni di Majorana, I ricercatori del MIT hanno dimostrato in un'analisi teorica.

fermioni di Majorana, predetto per la prima volta dai fisici nel 1937, possono essere pensati come elettroni divisi in due parti, ognuna delle quali si comporta come particelle indipendenti. Questi fermioni non esistono come particelle elementari in natura ma possono emergere in certi materiali superconduttori vicino alla temperatura dello zero assoluto. Nei materiali superconduttori, gli elettroni fluiscono senza resistenza generando poco o nessun calore.

La nuova analisi dello studente laureato Vladyslav Kozii, postdoc Jörn Venderbos, e Lawrence C. (1944) e Sarah W. Biedenharn La professoressa assistente allo sviluppo della carriera Liang Fu prevede che questo stato speciale dovrebbe verificarsi in un praseodimio, composto di osmio e antimonio, Professionisti ₄ Sb ₁₂ , e materiali simili fatti di metalli pesanti.

I fisici descrivono gli elettroni in base alla loro energia, quantità di moto, e gira. Un elettrone può occupare un possibile livello di energia, e un livello non occupato è chiamato buco. Nella nuova analisi, I fermioni di Majorana emergono come una sovrapposizione quantistica di un elettrone e una lacuna che si muovono liberamente, con ciascuno che ha la stessa direzione, o girare. Questo spin fermionico di Majorana può interagire con lo spin dei nuclei atomici nel materiale, quindi dovrebbe essere visto usando tecniche di risonanza magnetica nucleare, prevedono.

"Ci rivolgiamo a una certa classe di superconduttori, mostrano che hanno fermioni di Majorana come quasiparticelle che si propagano liberamente nella massa, e poi guarda come possono essere rilevati e quali altre proprietà hanno questi materiali che si potrebbero usare in futuro per funzionalità interessanti, " dice Venderbos. "Penso che colmi molto bene il divario tra esperimento e teoria e può essere usato dagli sperimentali in questo momento." Il loro articolo è stato pubblicato questo mese sulla rivista Progressi scientifici .

Un concetto chiave della fisica in questo lavoro è quello della simmetria dell'inversione del tempo. Tale simmetria significa che le equazioni del moto che governano un oggetto o una particella rimangono le stesse se si potesse invertire la direzione del tempo, con il tempo che scorre all'indietro piuttosto che in avanti. Se l'equazione del moto degli elettroni in un materiale è diversa quando il tempo scorre all'indietro, come è vero nei magneti, per esempio, allora si dice che la simmetria di inversione temporale è rotta. Questo offre ai fisici un modo importante per distinguere materiali diversi. Nel proposto superconduttore a base di composti di antimonio, l'analisi mostra che i fermioni di Majorana possono esistere solo quando la simmetria di inversione del tempo è rotta. Invertendo il moto nel tempo, lo spin dei fermioni di Majorana è invertito, ad esempio da orario a antiorario, e questo implica una diversa equazione del moto per i fermioni di Majorana che vanno indietro nel tempo. "Per quanto riguarda il materiale che abbiamo proposto, in realtà c'è un recente esperimento che conferma che la simmetria di inversione del tempo è rotta nello stato superconduttore di questo materiale. Ciò rafforza la nostra conclusione che è davvero un candidato molto promettente da applicare per la nostra teoria, "Spiega Kozii.

I fermioni di Majorana sono stati proposti per la prima volta dal fisico italiano Ettore Majorana come una soluzione matematica speciale per il comportamento quantistico degli elettroni. I ricercatori della Princeton University hanno riferito di aver rilevato una realizzazione a dimensione zero di queste particelle alla fine di una catena atomica nell'ottobre 2014. I teorici del MIT ora mostrano che i fermioni di Majorana a propagazione tridimensionale che prevedono sono governati dall'equazione originale di Majorana. "L'ampio studio che abbiamo eseguito mostra che questa particella particolare può ora trovare la sua realizzazione nella fisica dello stato solido in un materiale reale, "dice Venderbo.

Gli elettroni in materiali come metalli e semiconduttori possono riempire solo determinati livelli di energia, o bande, con escluso, o proibito, livelli di energia indicati come bandgap. In un superconduttore, questo è anche chiamato gap superconduttore. ordinariamente, ci vuole energia esterna per portare un elettrone a energia inferiore a un livello di energia più alto, soprattutto quando deve attraversare un bandgap. L'analisi del praseodimio dei gruppi Fu, osmio, e l'antimonio rivela che ci sono alcuni punti speciali nel suo spettro di eccitazione elettronica in cui il bandgap svanisce nel suo stato superconduttore, il che significa che sono possibili eccitazioni a bassa energia. "Per quanto bassa energia prendi, ci sarà sempre eccitazione a questa energia. Queste eccitazioni sono esattamente questi fermioni di Majorana di cui stavamo parlando, " spiega Kozii. Venderbos aggiunge, "Ci sono alcune eccitazioni per le quali non devi inserire alcuna energia o solo una quantità infinitamente piccola e puoi comunque creare l'eccitazione."

Notando che Fu ha fatto "alcune fantastiche previsioni in passato, " Professore di chimica dell'Università di Princeton Robert J. Cava, chi non è stato coinvolto in questa ricerca, suggerisce:"Gli sperimentatori dovrebbero ascoltare ciò che ha da dire. ... Sono molto felice di vedere che lui ei suoi colleghi hanno presentato un'analisi dei materiali reali in cui le loro idee potrebbero essere incarnate".

Kozii, Vendirbo, e Fu hanno analizzato questi superconduttori non convenzionali per un anno. Per Kozii, il lavoro entrerà a far parte della sua tesi di dottorato.

I ricercatori sperano che il loro lavoro possa ispirare gli sperimentali a rivedere alcuni materiali precedentemente studiati per identificare quelli che ospitano stati superconduttori con fermioni di Majorana. "Penso che il primo passo sarebbe solo trovare un materiale in cui tutti possano essere d'accordo sul fatto che abbia questi fermioni di Majorana. Sarebbe davvero eccitante e costituirebbe la scoperta di un nuovo tipo di superconduttore nell'esperimento, " dice Venderbos. "Il prossimo passo sarebbe pensare alla funzionalizzazione di questi materiali, quali potrebbero essere le applicazioni specifiche". Cercare di realizzare dispositivi quantistici con questi materiali è una possibile direzione. "Speriamo che questa ricerca alla fine porti maggiori sforzi da parte della comunità dei materiali quantistici e dei dispositivi quantistici per scoprire le molte sfaccettature dei fermioni di Majorana, " aggiunge Fu.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.