g u t x .com.tr İpek yolu - Çin'i anlamaya götürürüm

Majorana: Gelecekteki fiziksel melek mi yoksa hayalet mi?

Ettore Majorana

Yazar | Ji Xiangdong Han Ke (Shanghai Jiaotong Üniversitesi)

Sorumlu Editör | Huang Junru

1. 80 yıl önce kehanet ve gizemli ortadan kaybolma

25 Mart 1938'de, 32 yaşındaki İtalyan teorik fizikçi ve Napoli Üniversitesi Ettore Majorana'da profesör, bir intihar notu bıraktıktan sonra gizemli bir şekilde ortadan kayboldu. Bazıları intihar ettiğini, bazıları onun tarafından kaçırıldığını ve öldürüldüğünü, bazıları manastıra gittiğini, bazıları dilenci olduğunu, bazıları Arjantin'de ya da Güney Amerika'da Venezuela'da inzivaya çekildiğini söylüyor Kısacası nerede olduğu hala bilinmiyor.

Majorana, ünlü fizik ustası Fermi'nin (ayrıca Bay Li Zhengdao'nun Chicago'daki doktora süpervizörü) yanında eğitim almıştı. Fermi, öğrencisinin Galileo ve Newton ile karşılaştırılabilir bir süper fizikçi olduğunu düşünüyor. Gelecekteki araştırma kariyerinde, Fermi en zor sorunlarla karşılaştığında sık sık iç çekti, "Ettore burada olsaydı harika olurdu!"

Majorana, teorik bir fizikçi olarak, çoğu 1931 ve 1932'de yayınlanan yalnızca 9 makale yayınladı. 1932-1933 yılları arasında görelilik kuantum mekaniği okudu ve 1928'de Dirac tarafından keşfedilen elektronların temel hareket denklemi tarafından tahmin edilen elektron ile onun karşıt parçacık "pozitronu" (1932'de keşfedildi) arasındaki asimetriden memnun değildi (daha sonra teori Fizikte geliştirilen kuantum alan teorisi bu kusuru bir dereceye kadar telafi etmektedir). Dirac denkleminin aslında bir parçacık ve bir antiparçacık ile tamamen aynı olan bir çözüme izin verdiğini keşfetti ve Pauli'nin 1930'da önerdiği "nötrino" nun böyle bir parçacık olabileceğini düşündü. Ancak sonuçları hemen yayınlamadı ve önümüzdeki dört yıl boyunca başka makale yayınlamadı. Arkadaşının onu hayatının son makalesini yayınlamaya çağırdığı ve ardından gizemli bir şekilde ortadan kaybolduğu 1937 yılına kadar Napoli Üniversitesi'nde bir teori profesörü pozisyonuna başvurdu.

Majorana, bu makalede, artık Majorana parçacıkları olarak adlandırılan olası bir temel doğa birimi öngördü. Bu, herhangi bir (elektriksel) yük içermeyen nötr bir parçacıktır, göreliliğin kuantum mekaniğini, spin 1/2 ve Dirac parçacığının yarısı olarak kabul edilebilir. Şimdiye kadar, deneylerde bu tür parçacıkların varlığına dair kesin bir kanıt yoktur. Bununla birlikte, bu tür parçacıkların kesin varlığını kanıtlamak, doğanın nihai gizemini anlamamız için anahtar bir anahtar olabilir. Bu nedenle, temel Majorana parçacıklarını deneysel olarak bulmak, bugün insanlık için en önemli temel bilimsel konulardan biri haline geldi ve bu yüzyılın başında "Science" dergisinin listelediği insanlığın bu aşamasında en önemli 125 bilimsel konudan biri olarak seçildi.

2. Temel Fizik Meleği

Temel parçacıklar, doğanın en temel birimidir. Bozonlar ve fermiyonlar olmak üzere iki kategoriye ayrılabilirler. Bir bozonun dönüşü (bir tepenin kendi etrafında dönmesine benzer), temel bir birimin (h-çubuğu) tam bir katıdır. Örneğin, 2012 yılında keşfedilen "Higgs" parçacığı sıfır dönüşüne sahipken, temel ışık birimi "foton" 1 dönüşe ve yerçekimi dalgası "graviton" un temel birimi 2'ye sahiptir. Bunların hepsi "bozonlar" dır. ". Fermiyonların spini, bu temel birimin yarım tam sayı katıdır.Örneğin, elektronların ve nötrinoların dönüşlerinin her ikisi de 1 / 2'dir. Temel parçacıklar ayrıca karşılık gelen antiparçacıklara sahiptir. Bir elektronun antiparçacığı bir pozitron iken, bir fotonun antiparçacığı kendisidir.

Deneysel deneyim bize fermiyonların ilginç bir yasaya sahip olduğunu söylüyor gibi görünüyor: parçacıkları antiparçacıklardan ayırmak için belirli bir tür "yük" taşırlar.Örneğin, pozitif ve negatif elektronların "yükleri" zıttır. Elektriksel nötrlüğe ve 1/2 dönüşe sahip nötronlar temel parçacıklar değildir, ancak aynı zamanda 1956'da Kaliforniya, ABD'deki Berkeley Laboratuvarı'nda keşfedilen "antinötronlar" olarak adlandırılan kendi antiparçacıklarına da sahiptirler. Bu yasa tamamen doğruysa, o zaman Majorana parçacıklarının - parçacıkları ve antiparçacıkları birbirinden ayırt edilemeyen türden nötr fermiyonlar - gerçek dünyada var olmadığı sonucuna varılabilir.

Bununla birlikte, doğal dünyayı oluşturan temel birimlere Majorana parçacıkları dahil edilirse, bir hazine evine bir kapı açılmasına yardımcı olur ve bizi rahatsız eden bazı önemli gizemler çözülebilir.

İlk gizem, gerçek dünyada madde ve antimadde arasındaki asimetridir. Evrenin ilk günlerinde, temel fizik yasalarının madde ve antimaddenin tamamen simetrik, yani eşit sayıda olmasını gerektirdiği biliniyordu. Ancak bugün evrenimizde gördüğümüz tek şey madde ve antimadde neredeyse yok oldu. Örneğin, aslında, antimaddeden oluşan yıldızları veya galaksileri hiç görmedim. Bu asimetri nasıl ortaya çıkar?

Daha doğal bir açıklama şudur: Majorana parçacıkları evrende vardır, madde ile antimadde arasında ayrım yapmazlar.Özel bozunma mekanizmaları sayesinde, maddenin milyarda biri antimaddeden daha fazla olan küçük bir asimetri üretebilirler. Evren; evrenin soğuma sürecinde, madde ve antimadde defalarca "ateş birleşmesine" uğrar ve antimadde yok olur.Bugün maddi dünyamızı oluşturan ateş ve çok az sayıda hayatta kalanlardır.

Bir başka gizem ise, elektronların ve diğer temel parçacıkların kütlesinin neden bu kadar hafif olduğudur. Kütlenin kökeni ile ilgili olarak, şimdi yeni keşfedilen temel parçacık Higgs ile ilişkili olduğuna inanılıyor (önemi nedeniyle, Nobel ödüllü Lederman ona "Tanrı parçacığı" adını verdi). Peki Tanrı'nın parçacıklarının kütlesi nereden geliyor?

Kuantum görelilik teorisinde, mikroskobik dünyadaki kuantum dalgalanmaları - kuantum dünyasına özgü bir "sanal olasılık" - hepsi Higgs'in kalitesine katkıda bulunur. Ve bu dalgalanmalar ne kadar mikroskobik olursa, katkıları o kadar büyük olur. Bu nedenle, bilinen fizik yasalarına göre, kuantum fenomeni nedeniyle, elektronlar gibi temel parçacıkların kütlesi, şu anda ölçülen değerden on büyüklük mertebesinden daha büyük olmalıdır. Eğer durum buysa, dünyamız tamamen farklıdır.

Süpersimetrik bir dünyada, bilinen her temel parçacığın büyük bir kütleye karşılık gelen bir "gölge ortağı" vardır.

Majorana parçacıklarının var olmasına izin verilirse, yukarıdaki sorun da kolayca çözülebilir. Doğa, fermiyonlar ve bozonlar arasında sihirli bir "süper simetri" oluşturmak için bu tür parçacıkları kullanabilir - bilinen her fermiyonun (bozon) süper simetrik bir "gölge ortağı" cama sahiptir. Zar (fermiyonlar).

Örneğin, bir foton bir bozondur ve elektriksel olarak nötr bir Majorana parçacığı olan karşılık gelen ikiz kardeş "süpersimetrik foton" a sahip olabilir. Süpersimetrik bir dünyada, fotonların mikroskobik kuantum dalgalanmaları süpersimetrik fotonlar tarafından mükemmel bir şekilde dengelenir. Ancak gerçek dünyada süpersimetri kusurludur ve tüm süpersimetri ortakları, ağır kütleleri nedeniyle deneysel olarak keşfedilmemiştir. Bu nedenle, kuantum dalgalanmalarının temel parçacıkların kütlesine katkısı, bu kusurlu süpersimetri aracılığıyla manipüle edilebilir.

Karanlık madde var! Astronomi ve kozmoloji çalışmaları, bildiğimiz temel parçacıkların evrenin toplam enerjisinin yalnızca% 5'ini kapladığını buldu. Evrendeki enerjinin% 27'si karanlık madde adı verilen bilinmeyen yeni bir maddedir. Samanyolu, devasa bir karanlık madde halesiyle çevrilidir. Karanlık madde muhtemelen yepyeni, elektriksel olarak nötr bir temel parçacıktır. Parçacık teorisyenleri, karanlık maddenin muhtemelen nötr bir fermiyon veya Majorana parçacığı olduğuna inanma eğilimindedir. Eğer öyleyse, Majorana parçacığı maddi dünyanın gerçek hükümdarı olur.

3. Nötrinolar bir Majorana parçacığı mıdır?

Daha önce de belirtildiği gibi, Majorana teorik olarak nötr fermiyonları keşfettiğinde, nötrinoların muhtemelen bu tür parçacıklar olduğunu düşünüyordu.

Nötrinolarla ilgili hipotez ilk olarak 1930'da Pauli tarafından önerildi. Zayıf etkileşim sürecinde elektriksel olarak nötr bir parçacığın üretilebileceğine inanıyordu. Nötrinolar ilk olarak 1956'daki deneylerde keşfedildi ve daha sonra deneyler üç farklı türün olduğunu kanıtladı. Nötrinolar, temel parçacık ailesinin önemli bir üyesidir.

Ancak nötrinonun bir Majorana parçacığı olup olmadığı henüz deneysel olarak sonuçlandırılmadı. .

Nötrino, 1/2 spinli bir parçacıktır ve kütle merkezi hareket ettiğinde döner. Deneylerde nötrinoların dönüş yönünün ve hareketinin sol elli trino olarak adlandırılan bir sol el kuralı oluşturduğu görülmüştür. Ancak bilim adamları solak bir antinötrino görmediler. Çünkü solak antinötrino, başka herhangi bir etkileşime katılmadan nötrinoya kütle sağlamanın yanı sıra işe yaramaz görünüyor. Göremediğinize göre, teoride mutlaka ihtiyacınız yok, var olmadığı anlamına mı geliyor? Tabii ki değil.

1939 gibi erken bir tarihte, Majorananın ortadan kaybolmasından sonraki ikinci yıl olan Amerikalı teorik fizikçi ve Harvard Üniversitesi profesörü Wendell Furry, nötrinoların Majorana olup olmadığını doğrulamanın bir yolunun bir tür çekirdek bulmak olduğunu öne sürdü. Nötrino çift beta bozunması ".

Çekirdeğin "beta bozunması", nötronların protona dönüştüğü veya protonların nötronlara dönüştüğü zayıf bir etkileşim sürecidir; bu etki, doğadaki farklı elementler arasında köprüler kurabilir. Olağan beta bozunmasında, bir nötrino ile bir elektron salınır.

Enerji nedenlerinden dolayı beta bozunmasının oluşamayacağı özel bir çekirdek türü vardır. Örneğin, germanyum 76, 32 proton ve 44 nötron içerir.Bir beta bozunmasının onu arsenik 76'ya (33 proton ve 43 nötron) dönüştürmesi gerekir. Ancak buna enerji açısından izin verilmez, çünkü arsenik 76, germanyum 76'dan daha yüksek enerjiye sahiptir. Bununla birlikte, germanyum 76, selenyum 76 (34 proton ve 42 nötron) haline gelmek için "aynı anda" iki beta bozunmasına uğrayabilir. Buna fiziksel olarak izin verilir ve "çift beta bozunumu" olarak adlandırılır ve buna iki elektron ve iki nötrino salınımı eşlik eder. Ancak, bu bozulma olasılığı son derece küçüktür ve 1018 yıldan fazla sürecektir, bu da evrenin yaşından 100 milyon kat daha fazladır.

Furry, eğer nötrino bir Majorana parçacığı ise, çift beta bozunumunun çekirdeğinin yeni bir bozunma moduna izin verebileceğini keşfetti: sadece iki elektronun üretildiği nötrinosuz çift beta bozunması ve iki orta mikro Çocuk hiç görünmeyecek. Herhangi bir yük taşımadıkları için, iki Majorana parçacığı çürümede çok kısa bir süre için sembolik olarak görünür ve sonra gizemli bir şekilde bir boşlukta kaybolur.

Normal çift beta bozunması iki antinötrino üretir (soldaki resim). Ancak nötrino bir Majorana parçacığı ise bozunma ürününde görünmeyebilir Bu, bilim adamlarının bulmaya çalıştığı "nötrinosuz çift beta bozunması" dır (sağda).

Bu nedenle, Majorana parçacığının görünüşsüzlüğüyle var olduğunun deneysel olarak kanıtlanmış olması çok ironiktir! Nötrinoları deneysel olarak tespit etmek son derece zor olduğundan, var olduklarını ancak görünmediklerini kanıtlamanın zorluğu daha da fazladır.

4. Nötrino içermeyen çift beta bozunmasını tespit etmek: şeytani bir zorluk

Furry'nin önerileri hızla bilim adamlarının yoğun ilgisini uyandırdı. Bay Wu Jianxiong ayrıca kalsiyum 48 izotopunun nötrino çift beta bozunmasını araştırdı. Ancak Li Zhengdao ve Yang Zhenning'in parite korumasızlık teorisinin keşfiyle, insanlar bu bozulmanın yalnızca nötrinonun kütlesi olduğunda meydana gelmesi gerektiğini fark ettiler. Aksi takdirde nötrinoların Majorana parçacıkları olup olmadığı deneysel olarak asla belirlenemeyecektir.

Bu yüzyılın başında Japonya'nın Süper Kamioka ve Kanada'nın farklı türlerde nötrino makroskopik kuantum mekanik salınımlarını keşfeden SNO deneylerinde önemli bir dönüm noktası meydana geldi: aralarında değiştirilebilirler. Çin'deki Daya Körfezi deneyi daha sonra üçüncü ve son geçiş modunu gözlemledi. Bu geçişler ancak nötrino kütlesi sıfır olmadığında gerçekleşebileceğinden, dolaylı olarak nötrinonun kütlesi olduğunu kanıtlar ve standart parçacık fiziğinin ötesinde yeni bir fiziksel pencere açar. Shengang ve SNO deneyleri 2015 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı; Dayawan deneyi onlarla birlikte en büyük bilimsel ödül olan 2017 Temel Fizik Atılım Ödülü'nü kazandı.

Nötrinoların kütlesi sıfır olmamasına rağmen, yine de çok küçüktür, muhtemelen elektronların kütlesinden bir milyon kat daha küçük olan ve biyolojik enerji ölçeğine benzeyen onlarca milielektron volt mertebesinde. Yani nötrinoların kütlesi elektronlardan inanılmaz derecede daha hafiftir!

Teorik fizikçiler, nötrinoların gerçekten Majorana parçacıkları ise, küçük kütlelerinin kolayca açıklanabileceğini keşfettiklerinde şaşırırlar.

Majorana bir tahterevalli mekanizmasına izin verir ve temel fiziğin üç ana etkileşimi, elektrik, zayıf ve güçlü, nötrinoların kütlesini belirleyen bir kuvvet standardında (genellikle protonların kütlesinden trilyon kat daha büyük olduğu düşünülür) birleştirilir. Boyut: Birincisi ne kadar yüksekse, ikincisi o kadar hafiftir. Bu nedenle, Majorana nötrinolarının önemsiz kütlesi, temel fizikteki en derin genleri taşır.

Bununla birlikte, nötrinoların Majorana parçacıkları olup olmadığını doğrulamak için nötrino içermeyen beta bozunma deneyi için, bu parçacığın kütlesi Varlığın dayanılmaz hafifliğidir, çünkü düzinelerce milielektron voltun kütlesi Bu, bozunma modunun ömrünün, evrenin yaşından milyarlarca kat daha uzun olan 1026 yıldan fazla olduğu anlamına gelir. Bu nedenle, bir ton izotop (1028 çekirdek) olsa bile, geçen yıl bekledikten sonra sadece birkaç çürüme olayı meydana gelecektir.

Doğada bibeta bozunmasına uğrayabilen birkaç nükleer izotop vardır.Şu anda, deneylerde en umut verici olanlar germanyum 76, ksenon 136, tellür 130 vb. Ve selenyum 82, molibden 100 ve kadmiyum 116 gibi diğer uygulanabilir olanlar. Doğal germanyum ve ksenondaki ilgili izotopların içeriği 1 / 10'dan azdır, bu nedenle deneylerde yüksek bolluktaki hammaddeleri yapay olarak entegre etmek gerekir. Bu, aynı elementin farklı kütle çekirdeklerini ayırabilen ustaca bir cihaz olan çok sayıda santrifüj gerektirir. Santrifüj, uranyum-235'i nükleer silahlar yapmak için zenginleştirmek için kullanılabilir.Bu nedenle, büyük miktarda izotop elde etmek sadece çok zaman ve para gerektirmekle kalmaz, aynı zamanda askeri kısıtlı alanlar da açmalıdır.

Yüksek bolluktaki izotopların elde edilmesi, çok sayıda santrifüj gerektirir, bu da uranyum-235'i nükleer silahlar yapmak için zenginleştirebilen bir cihazdır.

Nötrinosuz çift beta bozunmasının birkaç örneğini bulmak için 1028 çekirdek ile bir yıl beklemek gerçek bir sınır mücadelesidir.

Dünyanın yüzeyi her zaman çok sayıda kozmik ışın tarafından rahatsız edilir ve yeraltı kayalarında her türlü radyoaktivite vardır. Bu nedenle böyle bir deney, iki bin metreden daha derin bir derinlikte yeraltına gizlenmeli, deneyde kullanılan tüm malzemeler seçilmeli ve saflaştırılmalı ve tüm deneysel cihaz, yüzlerce ila binlerce ton ultra saf malzemeden oluşan bir ortamda korunmalıdır. Bu "evrendeki en temiz yerde" bile, girişim deneysel verilerde çok fazla gürültü üretecektir ve yararlı sinyaller bulmak, samanlıkta iğne bulmakla karşılaştırılabilir.

Aşılamaz bir gürültü, iki nötrino'nun doğumuyla birlikte görülen sıradan çift beta bozunmasıdır.Bu süreç, nötrino içermeyen moddan on bin kat daha fazladır. Nötrinolar çok az enerji taşıdığında, birincisinin fiziksel sinyali ikinciden neredeyse ayırt edilemez. Yapılabilecek tek şey, elektronların enerjisini çok hassas bir şekilde ölçmek ve ardından ölçülen sinyalin, normal çift beta bozunumundan bekleneni aştığını görmek. Şu anda, deneylerdeki en iyi elektron enerjisi çözünürlüğü, bir ile iki binde biri arasında bir doğruluğa ulaşabilir.

Bu kadar zor olsa bile, yarım asırdır, deneyciler çeşitli yollarla nötrinosuz dibeta bozunması aramaya devam ediyorlar. Şu anda, dünyada bu bozunma modunu farklı izotoplarda bulmak için farklı dedektör teknolojileri kullanan ondan fazla orta ve büyük deney var.

2015 yılında yayınlanan on yıllık nükleer bilim planında, Amerika Birleşik Devletleri ilk yeni proje olarak nötrino içermeyen çift beta bozunma deneyini listeledi ve ton düzeyinde bir izotop deneyi oluşturmak için 300 milyon ABD doları yatırım yapması bekleniyor. Avrupa, CUORE ve GERDA gibi projeleri şiddetle geliştiriyor ve ton düzeyinde deneyler kavramı önerildi. Japonya'nın KamLAND-Zen deneyi bu aşamadaki en büyük ve en rekabetçi deneylerden biridir ve Japon hükümetinden de uzun vadeli destek almıştır. Nötrinoların temel özelliklerini belirlemek geleceğin fiziği için çok önemli olduğundan, neredeyse tüm yeraltı laboratuvarlarında en az bir nötrinosuz çift beta bozunma deneyi var.

Nötrino içermeyen çift beta bozunmasını bulmak bir zorluk ve fırsattır. Hacim, enerji çözünürlüğü, arka plan vb. Açısından mevcut deneylerde hiçbiri hepsini yapamaz ve net bir rota boyunca ilerleyemezler. Bu, Çinli parçacık ve nükleer fizikçilerine aktif olarak katılma ve yeteneklerini gösterme fırsatı sağlıyor.

Son zamanlarda, Ulusal Kalkınma ve Reform Komisyonu tarafından desteklenen 13. Beş Yıllık Planın ana altyapısı, Çin'in Sichuan kentindeki Jinping Yeraltı Laboratuvarı, dünyadaki en iyi doğal koşullara sahip ve ton düzeyinde nötrino içermeyen çift beta bozunması için ideal bir yer. Jinping'in gömülme derinliği 2500 metredir, bu nedenle deney kozmik ışınlardan neredeyse hiç etkilenmez. Bu aşamada Jinping'de gerçekleştirilen yerel deneyler arasında, dünyanın ileri düzey nötrino içermeyen çift beta bozunma deneylerine 5 ila 10 yıl içinde ulaşması umulan PandaX (Xenon 136) ve CDEX (Ge 76) bulunmaktadır. Ayrıca, düşük sıcaklıkta kalorimetre teknolojisi ve yüksek basınçlı gaz teknolojisi de aktif olarak geliştirilmektedir.

Jinping Yeraltı Laboratuvarı'nın ikinci aşaması. Resim kaynağı: INSPIRE

5. Majorana Quasiparticles ve Topolojik Kuantum Hesaplama

Modern fiziğin iki ana alanı parçacık fiziği ve yoğun madde fiziğidir. Bu iki alanın kültürleri aynı değildir: biri temel parçacıklar ve etkileşimler gibi fiziksel olayların daha temel açıklamalarını vurgularken diğeri, yüksek sıcaklık süperiletkenliği ve kuantum Hall etkisi gibi karmaşık sistemlerden türetilen yeni fiziksel olguları vurgular. Bununla birlikte, fiziksel uzay-zamanın boşluk durumu ile yoğunlaştırılmış karmaşık sistemin temel durumu arasındaki benzerlik, birçok teorik yöntem ve kavramın birbirinden ödünç alınmasına izin verir.

Ünlü "Tanrı parçacığı", fiziksel vakumun faz geçişinin temel bir parçacık kütlesi üreten mekanizma olduğunu fark eden parçacık teorisyenleri tarafından süperiletkenliğin yorumunu yansıtıyor. Yoğun madde fizikçileri doğal olarak Majorana parçacıkları kavramını temel parçacıklardan karmaşık çok elektronlu sistemler tarafından sergilenen basit ve harika hareket biçimlerini tanımlamak için kullanılan "yarı parçacıklara" doğru genişletir. Bu nedenle, parçacık fizikçileri tüm hızıyla Majorana temel parçacıklarını ararken, yoğunlaştırılmış madde fizikçileri hevesle başka bir yönden katı malzemelerdeki Majorana yarı parçacıklarını arıyorlar.

Atomlardan oluşan katı bir malzemede, çok sayıda elektron, Pauli uyumsuzluk ilkesine göre mümkün olduğunca düşük enerji durumundadır ve Fermi Denizini oluşturur. Bu denizde bir elektron eksikse, "anti-elektron" olarak kabul edilebilecek bir "delik" oluşur. Deniz yüzeyindeki "dalgalar", elektronların deniz yüzeyindeki karışık hareketi ve altındaki "delikler" ile oluşur.Bazen "yarı parçacık" olarak adlandırılan, enerjili ve hareketli bir "parçacık" olarak kabul edilebilir. Belirli koşullar altında, bu kolektif hareket durumu, elektronların ve "deliklerin" hareket durumlarının tam bir simetriye sahip olduğu serbest bir nötr fermiyon (Majorana) ile tanımlanabilir. Fakat tıpkı ejderha dans lambasının "ejderhası" nın insanlar tarafından icra edilmesi gibi, Majorana kuasipartikülleri de çok sayıda elektron tarafından gerçekleştirilen özel bir durumdur. Matematiksel olarak, nötr fermiyonlar sadece 3 + 1 boyutlu uzay ve zamanda temel parçacıklar olarak değil, 3 boyutlu veya düşük boyutlu uzayda "yarı parçacıklar" olarak var olabilirler.

Aslında, geleneksel (BCS) bir süperiletken içindeki temel uyarılmış durum, Majorana parçacıklarının özelliklerine sahip olan elektronlardan ve deliklerden oluşan yarı parçacıktır ve süperiletkenlerin "enerji boşluğu" Majorana'ya benzer. Parçacıkların kütlesi.

Yoğun madde fizikçilerinin temel ilgi alanı, Majorana karakteristiğine sahip elektronların uzayda sabit bir nokta etrafında, sıfır enerjili ve diğer hareket durumlarının kolektif hareketi olan sözde Majorana "sıfır modu" nda yatmaktadır. Özel bir enerji farkı oluşturun. Teorik çalışmalar, böyle bir sıfır modunun, bir süperiletken ile bir topolojik yalıtkan arasındaki arayüzde süper iletken bir vorteksin yakınında büyüyebileceğini göstermiştir. Bu tür uzamsal olarak ayrılmış sıfır modu, kuantum hesaplama için bir "kübit" olarak kullanılabilen bir "yarı-fermiyon" oluşturur.

Kuantum hesaplama, özel işlevleri nedeniyle kuantum fiziğinin önemli bir araştırma yönü haline geldi.Ancak kuantum bilgisayarlar çevresel gürültüye karşı çok hassastır ve gerçekten gerçekleştirilmesi için çok fazla kaynak koruması gerektirir. Majorana quasiparticles, topolojik özelliklerin oluşturduğu enerji farkı ve bit oluşumunun uzamsal genişleme özelliklerinden dolayı olağanüstü gürültü önleme özelliğine sahiptir, bu nedenle özellikle tercih edilirler.

Süper iletken ve topolojik izolatörler arasındaki arayüzde görünen Majorana sıfır modları

2012'den bu yana, dünyadaki birçok deneysel grup art arda Majorana sıfır modunun hazırlanmasını gerçekleştirdi. Çin'de, Şangay Jiaotong Üniversitesi araştırma grubu ve Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü araştırma grubu, sırasıyla topolojik yalıtkan / süperiletken heteroyapılarda ve demir bazlı süperiletken tek kristallerde Majorana sıfır enerji modunun kanıtlarını buldu. Kuantum hesaplamayı gerçekleştirmek için, özel istatistiksel özelliklerini kullanarak iki boyutlu bir uzayda bu tür sıfır modlarını bağımsız olarak geçersiz kılmak gerekir. Bu teknik olarak zor olsa da mümkün olmalıdır.

Eğer öyleyse, Majorana parçacığı gelecekte kuantum hesaplamanın meleği olacak.

Yoğunlaştırılmış maddede bir yarı parçacık olarak Majorana'nın varlığı, mutlaka doğanın temel taşı olacağı anlamına gelmez. Deneyciler, aşırı zorluklar karşısında nötrinoların Majorana parçacıkları olduğunu doğrularlarsa, o zaman Majorana gerçekten de temel fiziğin bir meleğidir, aksi takdirde tanımlanamayan bir "hayalet" haline gelebilir.

Her durumda, Majorana'nın kısa fizik kariyeri, fiziğin geleceğine silinmez fırsatlar getirdi.

Yazar, Çin Bilimler Akademisi Matematik ve Bilim Bölümü'nün bağımsız danışma projesine ve yararlı tartışmalar için Bay Zhang Huanqiao, Wen Xiaogang, He Hongjian, He Xiaogang, Huang Huanzhong'un finanse ettiği için minnettar.