寻找“天使粒子”的人继续

一种称为Majorana Fermions的粒子的理论类别仍然是一个谜。2017年,科学家们认为他们已经发现了存在Maparana Fermions的证据。不幸的是,最近的研究

一种称为Majorana Fermions的粒子的理论类别仍然是一个谜。 2017年,科学家们认为他们已经发现了存在Maparana Fermions的证据。不幸的是,最近的研究表明,他们的发现实际上是由于实验设备故障所致,这使研究人员重新回到绘图板上寻找外来颗粒。

什么是Majorana Fermions?

当前粒子物理的标准模型是解释宇宙基本力的最佳手段。它分类了各种基本颗粒,例如光子,希格斯玻色子以及各种夸克和瘦素。从广义上讲,其颗粒分为两个类别:玻色子,如光子和希格斯以及构成夸克和叶子的费米子。

这些类型的粒子之间存在一些主要差异。例如,一个是费米子具有反粒子,而玻色子则没有。可以有反电子(即一个正电子),但没有反洪顿。费米子也不能占据相同的量子状态;例如,绕原子核的电子不能占据相同的轨道水平并沿相同的方向旋转 – 两个电子可以在相同的轨道上悬挂,并且在相反的方向上旋转,因为这代表了不同的量子状态。另一方面,玻色子没有这个问题。

但是早在1937年,一位名叫Ettore Majorana的物理学家发现,可能存在一种不同的,不寻常的费米恩。所谓的Majorana fermion。

标准模型中的所有费米子都称为Dirac Fermions。他们和主要的费米斯的不同之处在于,马拉纳·费米昂将是其自身的反颗粒。由于有这个怪癖,Majorana fermion在丹·布朗小说“天使和恶魔”之后被昵称为“天使粒子”,其情节涉及物质/反物质炸弹。固定在拓扑绝缘子的顶部(也称为量子异常的绝缘子[QAH];左图)。在德国的宾夕法尼亚州立大学和温兹堡大学进行的实验表明,在拟议设备中使用的小型超导带产生了电气短,从而阻止了大约玛纳斯的检测(右图)。

Cui-Zu Chang,宾夕法尼亚州立大学

“吸烟枪”?

然而,直到2017年,仍没有关于Majorana Fermions的确定性实验证据。但是在那一年,物理学家构建了一个复杂的实验装置,涉及超导体,即拓扑绝缘体(拓扑绝缘子),该设备沿着其边缘进行电力,而不是通过其中心进行电力和磁铁。研究人员观察到,除了沿拓扑绝缘体边缘流动的电子外,该设备还显示出产生主要的准植物的迹象。

准粒子是物理学家在寻找“真实”颗粒的证据时使用的重要工具。它们本身并不是真实的事物,但可以将它们视为代表真实粒子的介质中的干扰。您可以将它们视为可口可乐中的气泡 – 气泡本身并不是一个独立的物体,而是从二氧化碳与可口可乐之间的相互作用中产生的一种现象。如果我们说确实存在一些假设的“气泡粒子”,我们可以测量可口可乐中的“准” – 倒倒,以了解有关其特征的更多信息,并为这种想象中的粒子的存在提供了证据。通过观察具有属性的属性粒子具有特性研究人员认为,这与Majorana fermions的理论预测相匹配,认为他们发现了一种吸烟枪,证明这些奇特的颗粒确实存在。

遗憾的是,最近的研究表明,这一发现是错误的。 2017年研究人员使用的设备仅在暴露于精确磁场时就会产生主要的标志。但是,来自宾夕法尼亚州立大学和尤尔茨堡大学的新研究人员发现,每当超导体和拓扑绝缘子被合并时,这些迹象都会出现。事实证明,超导体在该系统中充当电气短,导致测量看起来正确,但实际上只是一个错误的警报。由于磁场并没有导致该信号,因此测量值与理论不符。

一位研究人员说:“这是科学应如何工作的一个很好的例证。” “需要仔细检查和复制发现的非凡主张。我们所有的博士后和学生都非常努力地确保他们对过去的主张进行了非常严格的测试。我们还确保我们的所有数据和方法都与社区透明地共享,以便我们的结果可以由有兴趣的同事对我们的结果进行严格评估。”为什么这很重要?

除了更好地理解我们宇宙的本质的内在价值外,Majorana fermions还可以认真使用。它们可能导致所谓的拓扑量子计算机的开发。

常规的量子计算机容易发电 – 从本质上讲,这是向环境失去信息的损失。但是,在量子计算机中应用时,Majorana Fermions具有独特的属性。与普通的量子计算机相比,其中两个可以存储单个量子计算机(量子计算机相当于一点点)的信息,该计算机将单个量子的信息存储在单个量子粒子中。因此,如果环境噪声打扰了一个Majorana fermion,其相关粒子仍将存储信息,从而防止脱碳。

为了实现这一目标,研究人员仍在持续寻找天使粒子。就像2017年的研究一样有希望的是,狩猎似乎仍在继续。

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