Τα φερμιόνια Majorana μπορούν να γίνουν η βάση για νέους κβαντικούς υπολογιστές
Αντώνης Κοτσαμπασέρης
Μία πολύ σημαντική εργασία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature από διεθνή ομάδα επιστημόνων, όπου περιγράφεται η ανακάλυψη μίας νέα κβαντικής κατάστασης της ύλης.
Συγκεκριμένα, πρόκειται για την κατάσταση “υγρό κβαντικού σπιν” (quantumspinliquid), κατά την οποία εμφανίζεται μία εντυπωσιακή ιδιότητα. Ενώ μέχρι πρότινος τα ηλεκτρόνια λογίζονταν ως αδιαίρετα σωματίδια, ως θεμελιώδη υλικά της φύσης, όταν βρίσκονται στην κατάσταση QSL “σπάνε” σε μικρότερα κομμάτια, δηλαδή υπό αυτές τις συνθήκες τα ηλεκτρόνια φαίνονται να είναι σύνθετα σωματίδια.
Η πειραματική αυτή ανακάλυψη του QSL σε πραγματικό υλικό επιβεβαίωσε τη θεωρητική πρόβλεψη του, η οποία είχε δημοσιευτεί πριν 40 χρόνια. Τα αποτελέσματα που δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature δείχνουν τα πρώτα σημάδια των νέων αυτών σωματιδίων, τα οποία είναι γνωστά ως φερμιόνια Majorana.
Όπως αναφέρουν οι επιστήμονες από το πανεπιστήμιο του Cambridge, “τα πειραματικά αποτελέσματα ταιριάζουν επιτυχώς με ένα από τα βασικά θεωρητικά μοντέλα για ένα υγρό κβαντικού σπιν, γνωστό ως μοντέλο Kitaev.” Επιπλέον, τονίζουν τη σημασία της νέας αυτής κατάστασης λέγοντας, “Η παρατήρηση της εντυπωσιακής ιδιότητας των ηλεκτρονίων να διαιρούνται σε πραγματικά υλικά είναι επαναστατική. Τα φερμιόνια Majorana μπορούν να γίνουν η βάση για νέους κβαντικούς υπολογιστές, οι οποίοι θα είναι εξαιρετικά γρηγορότεροι από συνηθισμένους υπολογιστές και θα προσφέρουν τη δυνατότητα για υπολογισμούς που δεν μπορούσαν να γίνουν αλλιώς.”
Η ανακοίνωση του πανεπιστημίου εξηγεί πως σε τυπικά μαγνητικά υλικά τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται σαν μικρές μαγνητικές μπάρες. Όταν φέρουμε το υλικό σε αρκετά χαμηλή θερμοκρασία, τα ηλεκτρόνια θα διαταχθούν έτσι ώστε όλοι οι βόρειοι μαγνητικοί τους πόλοι να δείχνουν στην ίδια κατεύθυνση. Αλλά σε ένα υλικό που βρίσκεται σε κατάσταση υγρού σπιν, ακόμα κι αν η θερμοκρασία του είναι στο απόλυτο μηδέν, τα ηλεκτρόνια δε θα ευθυγραμμιστούν και θα σχηματίσουν ένα περιπλεγμένο άμορφο σύνολο μέσω κβαντικών διακυμάνσεων.
Οι επιστήμονες Knolle και Kovrizhin χρησιμοποίησαν τεχνικές σκέδασης νετρονίων για να βρουν πειραματικά στοιχεία διαίρεσης ηλεκτρονίων σε ποσότητα χλωριούχου αλφα-ρουθηνίου (α-RuCl3). Εξέτασαν τις μαγνητικές ιδιότητες του υλικού βομβαρδίζοντας το με νετρόνια και παρατηρώντας τα μοτίβα των διακυμάνσεων που δημιούργησαν τα νετρόνια μετά τη σκέδαση τους από το υλικό.
Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τις θεωρητικές προβλέψεις και αποτελούν την πρώτη παρατήρηση της κατάστασης QSL και της διαίρεσης ηλεκτρονίων, κάνοντας επανάσταση στο χώρο της κβαντικής φυσικής.
Με πληροφορίες από University of Cambridge