"Частица ангела". Физики оказались на грани материи и антиматерии

МОСКВА, 23 дек — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Ученые экспериментально доказали, 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 году талантливый физик Этторе Майорана, анализируя уравнение Дирака для движущегося 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 предсказанная им экзотическая ипостась электрона прочно обосновалась в квантовой физике.

Позже ее назвали фермионом Майораны, поскольку электрон, как и другой кирпичик мироздания — кварк, — принадлежит к этому типу частиц. В отличие от бозонов, они обладают полуцелым спином — величиной, которая описывает различные свойства вращения тела.

"Фермион Майораны — по сути, половинка обычной частицы. Они возникают только парами. Если в каком-то месте появился один, то где-то поблизости, а может быть, бесконечно далеко, находится второй. Если сделать что-то с одним, это повлияет и на его пару", — объясняет РИА Новости Александр Рахманов, физик-теоретик, заведующий лабораторией кафедры электродинамики сложных систем и нанофотоники МФТИ.

Боги и ангелы

Долгое время фермион Майораны изучали теоретически и пытались найти с помощью ускорителей и нейтринных детекторов. Хотя в его существовании никто не сомневался, но реально наблюдать в эксперименте частицу не удавалось.

Уже в наше время появилась идея, что майорановские фермионы могут существовать в твердых телах, при соблюдении определенных условий. Только это будут не настоящие элементарные частицы, а квазичастицы, то есть некие групповые состояния, в данном случае — электронов, которые, взаимодействуя с кристаллической решеткой, как бы "забывают", что они отрицательно заряжены, и начинают вести себя и как частица, и как античастица одновременно.

Воплотить идею практически удалось в 2012 году группе под руководством Лео Ковенхонена в Делфтском техническом университете (Нидерланды). Ученые синтезировали нанопроволочку из антимонида индия, покрыли ее сверхпроводящим слоем и охладили до температуры, близкой к абсолютному нулю. Затем направляли 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 дали 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.

© TU Delft

Эксперимент по обнаружению фермионов Майораны в покрытой сверхпроводником нанопроволочке

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 фермионы.

Год назад экзотическую частицу обнаружили в сверхпроводящем островке, помещенном поверх топологического изолятора. Это достижение принадлежит также физикам из США (Стэндфордский университет).

Топологический изолятор способен проводить электрический ток по краям. В объеме он остается диэлектриком. Этим удивительным свойством обладают совсем немногие химические соединения с сильным 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 работ Александр Рахманов рассчитал, что если одна квазичастица рождается внутри вихря в центре сверхпроводящего островка, то вторая неизбежно появляется 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.

© Алина Полянина

Фермион Майораны на островке сверхпроводимости

Квантовый компьютер на пороге 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 внешней среды. Это называется декогеренцией.

"Когда у нас сразу два фермиона Майораны, время декогеренции увеличивается примерно на три порядка, и есть надежда успеть сделать с ними квантовые операции до того, как квазичастица потеряет свое состояние", — поясняет Александр Рахманов.

По его словам, изучение майорановских фермионов — одна из самых горячих тем современной физики.