La diffusione dei neutroni ha rivelato con dettagli senza precedenti nuove intuizioni sul comportamento magnetico esotico di un materiale che, con una comprensione più completa, potrebbe aprire la strada a calcoli quantistici ben oltre i limiti degli uni e degli zeri del codice binario di un computer.

Un team di ricerca guidato dall'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha confermato le firme magnetiche probabilmente correlate ai fermioni di Majorana, particelle sfuggenti che potrebbero essere la base per un bit quantico, o qubit, in un materiale bidimensionale simile al grafene, tricloruro di alfa-rutenio. I risultati, pubblicato sulla rivista Scienza , verificare ed estendere un 2016 Materiali della natura studio in cui il team di ricercatori dell'ORNL, Università del Tennessee, Il Max Planck Institute e l'Università di Cambridge hanno proposto per primi questo comportamento insolito nel materiale.

"Questa ricerca è una promessa mantenuta, " ha detto l'autore principale Arnab Banerjee, un ricercatore post-dottorato presso l'ORNL. "Prima, abbiamo suggerito che questo composto, tricloruro di alfa-rutenio, ha mostrato la fisica dei fermioni di Majorana, ma il materiale che abbiamo usato era una polvere e nascondeva molti dettagli importanti. Ora, stiamo guardando un grande cristallo singolo che conferma che l'insolito spettro magnetico è coerente con l'idea dei fermioni magnetici di Majorana".

I fermioni di Majorana furono teorizzati nel 1937 dal fisico Ettore Majorana. Sono unici in questo, a differenza di elettroni e protoni le cui controparti antiparticellari sono il positrone e l'antiprotone, particelle con cariche uguali ma opposte, I fermioni di Majorana sono la loro antiparticella e non hanno carica.

Nel 2006, il fisico Alexei Kitaev ha sviluppato un modello teorico risolvibile che descrive come i calcoli quantistici topologicamente protetti potrebbero essere ottenuti in un materiale utilizzando liquidi di spin quantistico, o QSL. Le QSL sono stati strani raggiunti in materiali solidi in cui i momenti magnetici, o "gira, " associati agli elettroni mostrano un comportamento simile a un fluido.

"Le nostre misurazioni della diffusione dei neutroni ci stanno mostrando chiare firme di eccitazioni magnetiche che assomigliano molto al modello della QSL di Kitaev, " ha detto l'autore corrispondente Steve Nagler, direttore della Quantum Condensed Matter Division dell'ORNL. "I miglioramenti nelle nuove misurazioni sono come guardare Saturno attraverso un telescopio e scoprire gli anelli per la prima volta".

Poiché i neutroni sono magneti microscopici che non trasportano carica, possono essere utilizzati per interagire ed eccitare altre particelle magnetiche nel sistema senza compromettere l'integrità della struttura atomica del materiale. I neutroni possono misurare lo spettro magnetico delle eccitazioni, rivelando come si comportano le particelle. Il team ha raffreddato il materiale a temperature vicine allo zero assoluto (circa meno 450 gradi Fahrenheit) per consentire un'osservazione diretta dei movimenti puramente quantistici.

L'utilizzo dello strumento SEQUOIA presso la Spallation Neutron Source dell'ORNL ha permesso ai ricercatori di mappare un'immagine dei movimenti magnetici del cristallo sia nello spazio che nel tempo.

"Possiamo vedere lo spettro magnetico manifestarsi sotto forma di una stella a sei punte e come riflette il reticolo a nido d'ape sottostante del materiale, " ha detto Banerjee. "Se siamo in grado di comprendere queste eccitazioni magnetiche in dettaglio, allora saremo un passo più vicini alla ricerca di un materiale che ci permetta di perseguire il sogno finale dei calcoli quantistici".

Banerjee e i suoi colleghi stanno portando avanti ulteriori esperimenti con campi magnetici applicati e pressioni variabili.

"Abbiamo applicato una tecnica di misurazione molto potente per ottenere queste squisite visualizzazioni che ci consentono di vedere direttamente la natura quantistica del materiale, ", ha affermato il coautore Alan Tennant, capo scienziato per la direzione delle scienze dei neutroni dell'ORNL. "Parte dell'eccitazione degli esperimenti è che stanno guidando la teoria. Stiamo vedendo queste cose, e sappiamo che sono reali."