Нефть Brent
$88.42
+1.28%
27
МОСКВА, 23 декабря —, Татьяна Пичугина. Ученые экспериментально довели, что фермионы Майораны, предсказанные восемьдесят лет назад, существуют в виде квазичастиц в твердых телах. Эти загадочные состояния материи рассматривают как перспективные объекты для квантовых вычислений. Однако наблюдать их можно только в очень необычных условиях.
Загадка электрона
В 1937 хотя бы году талантливый физик Этторе Майорана, анализируя уравнение Дирака для перемещающегося электрона, вычислил, что он может существовать не только как частица или античастица, но и сочетать оба этих состояния одновременно.
Майорана исчез при загадочных обстоятельствах совсем молодым, ему было 33 года. Однако предвещенная им экзотическая ипостась электрона крепкого обосновалась в квантовой физике.
Позже ее можно привели фермионом Майораны, поскольку фермион, как и другой кирпич мироздания — кварк, — принадлежит к этому типу частиц. В отличие от бозонов, они обладают полуцелым моментом — величиной, которая популярно объясняет различные свойства вращения тела.
Фермион Майораны — по сути, половинка скромной частицы. Они возникают только парами. Если в каком-то месте появился один, то где-то поблизости, а рискует быть, бесконечно далеко, находится второй. Если поймать что-то с одним, это повлияет и на его пару, — объясняет Александр Рахманов, физик-теоретик, заведующий лабораторией кафедры электродинамики сложных систем и нанофотоники МФТИ.
Боги и посланники
Долгое то свободное время фермион Майораны изучали теоретически и пытались найти с помощью катализаторов и нейтринных детекторов. Хотя в его существовании никто не сомневался, но реально иметь в эксперименте частицу не удавалось.
Уже в наше время появилась идея, что майорановские электроны могут существовать в твердых телах, при соблюдении определенных условий. Только это будут не настоящие элементарные частицы, а квазичастицы, то есть некие групповые состояния, в этом случае — электронов, какие, взаимодействуя с кристаллической решеткой, как бы забывают, что они отрицательно заряжены, и начинают вести себя и как частица, и как античастица одновременно.
Воплотить идею утилитарным удалось в 2012 году группе под руководством Лео Ковенхонена в Делфтском техническом университете (Нидерланды). Ученые синтезировали нанопроволочку из антимонида индия, оклеили ее сверхпроводящим слоем и остудили до температуры, близкой к абсолютному нулю. Затем отправляли в нее один за другим электроны и замеряли электрический ток. Если наблюдался пик, значит, частицы натыкались на фермион Майораны, родившийся внутри нанопроволочки.
Один из авторов открытия Сергей Фролов сравнил фермион Майораны с частицей, существующей на границе материи и антиматерии, словно на поверхности зеркала.
Позже по аналогии с бозоном Хиггса, названным частицей Бога, майорановскому фермиону мазнули имя частица ангела. Поводом послужила книга американского писателя Дэна Брауна Ангелы и демоны, где описана бомба из антивещества, которая при соединении с обычной материей вызывает аннигиляцию.
В вихре тока
В 2014 году группа Али Яздани из Принстонского университета (США) придумала другую конструкцию для наблюдения за ангельскими частицами. Они уложили цепочку атомов железа поверх слоя сверхпроводника из олова и создали такие условия, что электроны образовали пары со своими античастицами (в данном случае, дырками), а на концах цепочки остались частицы без пары — майорановские электроны.
Год назад экзотическую частицу обнаружили в сверхпроводящем островке, помещенном поверх топологического изолятора. Это торжество принадлежит также физикам из США (Стэндфордский университет).
Топологический изолятор способен проводить гальванический ток по краям. В объеме он остается диэлектриком. Этим удивительным свойством обладают совсем немногие химические соединения с сокрушительным спин-орбитальным взаимодействием.
Физики предсказывали, что если на поверхность топологического изолятора поместить слой сверхпроводника и сильно охладить, то на их границе возникнет возмущение тока в виде вихря, а внутри него родится фермион Майораны.
В одной из своих деятельностей Александр Рахманов рассчитал, что если одна квазичастица рождается внутри вихря в центре сверхпроводящего острова, то вторая неизбежно выпускается где-то на краю.
Какое-то время эти две половинки фермиона живут независимой жизнью. Рано или поздно они, конечно, встретятся и аннигилируют. Но их отдельное существование достаточно продолжительно, чтобы успеть пронаблюдать, — рассказывает физик.
Квантовый компьютер на водопаде революции
Фермионы Майораны интересны с академической точки зрения, но не только. Их пару можно использовать в квантовых вычислениях как аналог кубита. В существующих устройствах время жизни квантовых состояний очень мало, они нестабильны и быстро разрушаются из-за влияния формальной среды. Это называется декогеренцией.
Когда у нас сразу два фермиона Майораны, время декогеренции увеличивается примерно на три церемониала, и есть надежда поспеть сделать с ними квантовые работы до того, как квазичастица потеряет свое состояние, — поясняет Александр Рахманов.
По его словам, изучение майорановских электронов — одна из самых пылких тем современной физики.
