Wetenschappers van Princeton University gebruikten een scanning tunneling-microscoop om de atomaire structuur van een ijzerdraad in een atoom breed op een loodoppervlak te tonen. Het vergrote gedeelte van de afbeelding toont de kwantumwaarschijnlijkheid van het gehalte in de draad van een ongrijpbaar deeltje dat het Majorana-fermion wordt genoemd. Het is belangrijk op te merken dat de afbeelding deeltjes aan het eind van de draad laat zien, wat precies is waar de theoretische berekeningen vele jaren voorspelden.
Als je dacht dat de zoektocht naar het Higgs-deeltje - een ongrijpbaar deeltje dat materiemassa oplevert - episch was, denk dan eens aan de fysici die een manier probeerden te vinden om een ander subatomisch deeltje te ontdekken dat verborgen was sinds de jaren dertig, toen de eerste aanname erover verscheen.
Maar nu, dankzij het gebruik van 2 fantastische grote microscopen, is dit zeer vreemde en potentieel revolutionaire deeltje ontdekt.
Stel je het Majorana-fermion voor, een deeltje dat ook zijn eigen antideeltje is, een kandidaat voor donkere materie, en een mogelijke bemiddelaar van quantumcomputing.
Fermion Majorana is vernoemd naar de Italiaanse natuurkundige, Ettore Majorana, die een theorie formuleerde die dit unieke deeltje beschrijft. In 1937 voorspelde Majorana dat een stabiel deeltje in de natuur kan bestaan, wat zowel materie als antimaterie is. In onze dagelijkse ervaring is er ook materie (die in overvloed in ons universum te vinden is) en antimaterie (wat uiterst zeldzaam is). Als materie en antimaterie elkaar ontmoeten, vernietigen ze en verdwijnen ze in een flits van energie. Een van de grootste mysteries van de moderne natuurkunde is hoe het universum meer materie dan antimaterie werd. Logica dicteert dat materie en antimaterie delen van hetzelfde ding zijn, zoals tegenoverliggende zijden van een munt, en in hetzelfde tempo hadden moeten zijn gemaakt. In dit geval zou het universum vernietigd zijn voordat het zich kon vestigen. Sommige processen na de oerknal laten echter zien dat er meer materie is geproduceerd dan antimaterie, dus het is belangrijk dat de materie wint, die het universum vult dat we vandaag kennen en waar we van houden.
Het Majorana-fermion verschilt echter in zijn eigenschappen en is ook een antideeltje. Hoewel het elektron materie is en het positron het antimateriële deeltje van het elektron is, is het Majorana-fermion zowel materie als antimaterie. Het is deze materiële / antimateriële dualiteit die dit kleine beest zo moeilijk te traceren heeft gemaakt in de afgelopen 8 jaar. Maar de natuurkundigen deden dat, en om de taak te volbrengen kostte het enorme vindingrijkheid en een enorm grote microscoop.
De theorie laat zien dat het Majorana-fermion zich op de rand van andere materialen moet uitstrekken. Zo creëerde een team van Princeton University een ijzerdraad in een atoom dik op het loodoppervlak en maakte een toename aan het einde van de draad met behulp van een mega-microscoop in het laboratorium van ultralage trillingen in Yadwin Hall in Princeton.
"Dit is de gemakkelijkste manier om het Majorana-fermion te zien, dat naar verwachting op de rand van sommige materialen zal worden gemaakt", zegt de vooraanstaande fysicus Ali Yazdani van Princeton University, New Jersey, in een persbericht. "Als je dit deeltje in het materiaal wilt vinden, moet je een microscoop gebruiken waarmee je kunt zien waar het zich werkelijk bevindt." Yazdani's onderzoek werd donderdag (2 oktober) gepubliceerd in het tijdschrift Science. De zoektocht naar de fermoion Majorana verschilt aanzienlijk van de zoektocht naar andere subatomaire deeltjes, die meer worden belicht in de brede pers. Jagen op het Higgs-deeltje (en vergelijkbare deeltjes) vereist de krachtigste versnellers ter wereld om de enorme energiebotsing te genereren die nodig is om omstandigheden kort na de Big Bang te simuleren. Dit is de enige manier om het snel rottende Higgs-deeltje te isoleren en vervolgens de producten van zijn verval te bestuderen.
Daarentegen kan het Majorana-fermion alleen in een stof worden gedetecteerd door het effect ervan op de atomen en de krachten eromheen - dus geen krachtige versnellers zijn vereist, maar het gebruik van krachtige scanning-tunnelingmicroscopen is noodzakelijk. Zeer nauwkeurige afstemming van het doelmateriaal is ook vereist om het Majorana-fermion te isoleren en weer te geven.
Deze strikte controle vereist extreme koeling van dunne ijzerdraden om supergeleiding te verzekeren. Supergeleiding wordt bereikt wanneer thermische fluctuaties van een materiaal zodanig worden gereduceerd dat elektronen zonder weerstand door dit materiaal kunnen gaan. Door het doelwit te verlagen tot 272 graden Celsius - tot een graad boven het absolute nulpunt, of 1 Kelvin - kunnen ideale omstandigheden worden bereikt voor de vorming van het Majorana-fermion.
"Dit toont aan dat dit (Majorana) signaal alleen op de rand bestaat", zei Yazdani. "Dit is een sleutelsignatuur. Als je dit niet hebt, kan dit signaal om andere redenen bestaan. " Eerdere experimenten verwijderden mogelijke signalen van het Majorana-fermion in vergelijkbare installaties, maar dit is de eerste keer dat een bepaald deeltjessignaal is verschenen, na het verwijderen van alle storingsbronnen, precies op de plaats waar het voorspeld is te zijn. "Dit kan alleen worden bereikt door een experimentele opzet - eenvoudig en zonder het gebruik van exotische materialen die kunnen interfereren," zei Yazdani.
"Wat interessant is, is dat het heel simpel is: het is lood en ijzer," zei hij.
Er is nu gevonden dat er enkele interessante kansen zijn voor verschillende gebieden van moderne fysica, techniek en astrofysica.
Het Majorana-fermion interageert bijvoorbeeld zwak met gewone materie, net als het spookachtige neutrino. Natuurkundigen weten niet zeker of neutrino's een apart antideeltje hebben, of, net als de fermoion van Majorana, zijn eigen antideeltje is. Neutrino's zijn rijk aan het universum en astronomen wijzen er vaak op dat neutrino's een groot deel uitmaken van de donkere materie waarvan men denkt dat ze Cosmos vullen. Waarschijnlijk zijn neutrino's hetzelfde als deeltjes van Majorana en Fermions Majorana zijn ook kandidaten voor donkere materie.
Er is ook een potentieel revolutionaire industriële toepassing als natuurkundigen de materie kunnen coderen met Majorana-fermionen. Momenteel worden elektronen gebruikt in quantum computing, wat mogelijk computers kan maken die voorheen ontelbare systemen in een oogwenk konden oplossen. Maar elektronen zijn notoir moeilijk te beheersen en schenden vaak berekeningen na interactie met andere materialen om hen heen. Het Majorana-fermion, dat echter uiterst zwak in wisselwerking staat met het materiaal, is verrassend stabiel vanwege zijn materiële / antimateriële dualiteit. Om deze redenen kunnen wetenschappers dit deeltje gebruiken, het technisch toepassen in materialen, coderen en mogelijk steeds meer nieuwe methoden voor quantumcomputing ontdekken.
Dus, hoewel de ontdekking ervan geen drama en het vasthouden van relativistische deeltjes samen in de vacuümkamers van de LHC-detectoren creëert, kan de meer subtiele ontdekking van de Majorana een nieuwe benadering van donkere materie ontwikkelen en een revolutie in de computerwereld maken.
En misschien was de 80-jarige wachttijd voor de opening toch wel de moeite waard.
