Фото: Yazdani Lab, Princeton University
Вченим вдалося безпосередньо візуалізувати квантову ймовірність.
Фізики із США створили надпровідник, в якому спостерігали зв'язані стани майоранівських ферміонів. Результати своїх досліджень автори опублікували в журналі Science, а коротко з ними можна ознайомитися на сайті Прінстонського університету.
Майоранівський ферміон є масивної часткою з напівцілим спіном і нульовими зарядами (електричним, лептонним та іншими), яка не відрізняється від своєї античастинки. Теоретично її існування було передбачене італійським фізиком Етторе Майорана (Ettore Majorana) в 1937 році.
Для виявлення частки дослідники створили топологічний надпровідник, облягаючи атоми заліза на свинцеву поверхню і охолоджуючи систему до мінус 272 градусів за Цельсієм. При цьому атоми заліза розташували таким способом, що вони утворили свого роду тонкий дріт.
Використовуючи потужний скануючий тунельний мікроскоп, фахівцям вдалося спостерігати зв'язані стани майоранівських ферміонів у стані з мінімальною енергією на кінцях дроту. На відміну від попередніх дослідів інших груп, в новому експерименті вченим вдалося безпосередньо візуалізувати квантову ймовірність, що показує знаходження частинки майоран.
Ідею експерименту запропонував у 2001 році фізик Андрій Китаєв. Згідно з його теоретичними розрахунками, майоранівські ферміони повинні були знаходитися саме на кінцях дроту із заліза. Такі квазічастинки - особливі колективні стани частинок - стабільні і, перебуваючи на достатньому видаленні один від одного, не анігілюють.
Їх Китаєв запропонував використовувати як матеріальні носії кубітів - квантових узагальнень класичних бітів. На відміну від останніх, що мають тільки два значення, 0 або 1, перші можуть брати будь-які значення, що визначаються суперпозицією 0 і 1.
У 2012 році дослідники з Нідерландів повідомили про перші ознаки виявлення майоранівських ферміонів. Тоді експериментатори зареєстрували стрибок напруги, що виник в результаті проходження електронів під дією магнітного поля через ферміон майоран.
Пізніше, в 2013 році групі вчених з Університету штату Іллінойс вдалося провести схожий експеримент, в якому їм вдалося спостерігати вже не один, а два стрибка напруги. Такого результату вони добилися, зменшивши довжину проводу і міняючи величину вхідної напруги.
Відкриття у фізиці конденсованого тіла квазичастинок, що володіють властивостями ферміонів майоран, дозволяє підтвердити теоретичні висновки про їхнє існування. Крім того, вони відіграють велику роль в розширеннях Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Зокрема, існують припущення, що темна матерія складається з таких майоранівських нейтрино.
Саме існування таких частинок знаходиться в протиріччі із законами збереження лептонного і барионного чисел. Тим не менш, учені продовжують експерименти з виявлення майоранівських нейтрино. Їхньою метою є перевірка різних гіпотез і обмежень на розширення Стандартної моделі, в тому числі суперсиметричних і з додатковими просторовими вимірами.