Майорановият фермион се държи едновременно като материя и като антиматерия
Китайско-американски физици за първи път наблюдаваха майоранов фермион. Това е т. нар. Ангелска частица, която се държи едновременно като материя и като антиматерия.
Както е известно в стандартната физика, всяка частица материя има своята противоположност във вид на антиматерия с идентична маса, но с обратен заряд. Материята и антиматерията се унищожават взаимно, когато се срещнат. През 1937 г. обаче италианският физик Еторе Майорана допуска, че някои частици могат да бъдат едновременно материя и антиматерия и от тогава физиците от цял свят търсят доказателство за тази теория. Любопитно е, че самият Майорана мистериозно изчезва, след като формулира хипотезата си: в една пролетна нощ на 1937 г. се качва на кораб от Неапол за Палермо и следите му се губят. Сега, 80 години по-късно изглежда, че неговата теория се потвърждава.
Еторе Майорана
През 30-те години на миналия век Майорана опростява релативисткото уравнение на Пол Дирак, описващо поведението на електрона от позиция на квантовата теория. В уравнението на Дирак има две частици – едната е електронът, а другата бива наречена позитрон. Майорана описва нов клас частици, лишени от анти-аналози. До момента те са добре описани, но така и не са наблюдавани. Съществува хипотеза, че неутриното е майоранова частица и така може да се обясни отчасти разликата в количеството материя и антиматерия във Вселената. Търсенето на майоранови частици се провежда сред всякакви квазичастици при сложни физични експерименти. Например колективните колебания на атомите в кристалната решетка могат да бъдат заменени и обяснени с една квазичастица – фонон, която предизвиква сложно движение на електроните в твърдото тяло.
Пол Дирак
Откритите през юли частици от учени от университета Станфорд и университета на Калифорния са първото силно доказателство за съществуването на майоранов фермион. Името ангелска частица е свързано с бестселърът на Дан Браун „Ангели и демони“, в който тайно братство планира взривяването на Ватикана с времева бомба, чиято енергиа идва от сблъсъка на материя с антиматерия. Това откритие е едно от най-важните през последните 80 години, коментира професорът от Станфорд Шученг Чанг.
Авторите на новата разработка за първи път показват, че квазичастиците, които се държат като майоранови фермиони, могат да съществуват в действителността. За да го докажат, физиците са създали необичайна структура, състояща се от два материала: свръхпроводник (ниобий) и топологичен изолатор с аномален ефект на Хол (Ефект на Хол се нарича явлението на възникване на напречно ориентирано електрично поле (електродвижещо напрежение), (наричано също напрежение на Хол) при поставянето на проводник с протичащ по него постоянен ток в магнитно поле) (хромов телурид, бисмут и антимон).
Топологичният изолатор се характеризира с това, че е проводник на ток само в долната част на повърността си. Свръхпроводниците могат да провеждат ток без загуби. На границата на материалите се появява състояние, което учените наричат свръхпроводим топологичен изолатор.
За да получат майоранови фермиони, изследователите са ползвали магнитен топологичен изолатор, който влияе на характера на тока в материала. От единия край на материала токът бил в една посока, а от другия – в друга. „Ангелските частици“ се проявили в изменението на магнитното поле, в което в другата си част било противоположно. Освен това електроните се променяли винтообразно.
Схема на експеримента
Графика на промяната на магнитното поле от различните температури. Стрелките нагоре доказват съществуването на майоранов фермион.
Подобни винтообразни изменения са свързани с топологичните свойства на материалите. През 2016 г. Дейвид Дж Тоулес от Университета на Вашингтон, Дънкан М. Халдейн от Принстън и Майкъл Костерлиц от Университета Браун взеха Нобелова награда за физика „за теоретични открития на топологични фазовите преходи и топологични фази на материята“.
Техните открития доведоха до пробиви в изучаването на странните състояния на материята и създават нови перспективи за развитието на иновативни материали. Тримата ползват съвременни математически методи, за да обяснят странни явления в необичайни фази на материята като свръхпроводници, свръхфлуиди или тънки магнитни филми. Те проучват явленията, които биха възникнали в един плосък свят – върху повърхности или в изключително тънки слоеве, които могат да се считат двумерни сравнение с трите измерения (дължина, ширина и височина), с които се описва обикновено реалността.
Физиката, която действа в двумерна равнина, е много по-различна от тази, която познаваме в света около нас. Дори ако разпределим много тънко материя, тя пак ще се състои от милиони атоми и дори тогава поведението на всеки атом може да бъде обяснено от квантовата физика. В същото време атомите ще покажат напълно различни свойства, когато много от тях се съберат заедно в една равнина.
Използваните от тримата лауреати топологични концепции в областта на физиката са решаващи за техните открития. Топологията е клон на математиката, която се занимава със свойствата на пространството, които се запазват при непрекъснати деформации като разтягане и огъване, но не и разкъсване или залепване.
Използвайки като инструмент модерната топология те откриват любопитни неща от квантовата физика.
Откритието на физиците е коментирано от редица учени. Нобеловият лауреат Франк Вилчек коментира, че това не е неочаквано откритие. Важното е обаче материалите, които учените в момента са използвали, за да наблюдават поведението на квантовите частици.
Запознати припомнят, че преди две години бе проведен подобен експеримент, при който бе ползвано олово и желязо, тъй като майорановите фермиони възникват от свойствата на обкръжаващите ги вещества и не могат да се формират без наличието на свръхпроводник. Учените тогава използват само чист оловен кристал, чиито атоми са разположени в неправилни вериги, образуващи тънки ивица по повърхността на неговата структурата, като в една от тях е поставено чисто желязо. Така е получена жица с дебелина около три атома, която бива охладена до -272°C и поставена под специалния микроскоп за наблюдение. Свръхпроводимостта на оловото е необходимо условие за възникването на майоранова частица, а желязото пък предоставя силния магнетизъм.
Топологията е науката на бъдещето.
Топологията е науката на бъдещето.
