Физики из Китая и США впервые обнаружили состояния, которые ведут себя как майорановские частицы. Их главная особенность состоит в том, что они являются античастицами по отношению к самим себе: когда две одинаковые майорановские частицы встречаются, они аннигилируют. Обнаруженные квазичастицы не связаны напрямую с поисками реальных майорановских фермионов, но могут оказаться полезными при разработке квантовых компьютеров, топологически защищенных от разрушения квантового состояния. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз Стенфордского университета.

В 1928 году Поль Дирак вывел известное релятивистское уравнение, описывающее поведение электрона с позиции квантовой теории. У этого уравнения оказалось два решения, одно из которых соответствовало электрону, а другое предсказывало частицу, масса и спин которой совпадают с электроном, а заряд противоположен. Такие объекты впоследствии назвали античастицами. Спустя четыре года физики случайно обнаружили эту новую частицу — она получила название «позитрон». 

В 1930-х годах Этторе Майорана обнаружил, что упростив уравнение Дирака (избавившись от мнимости операторов) можно описать новый класс частиц, лишенных анти-аналогов. Они получили название майорановских фермионов. Хотя такие частицы хорошо описаны теоретически и встречаются в различных моделях, до сих пор они не были найдены. Согласно одной из гипотез нейтрино являются майорановскими частицами — это может отчасти объяснить наблюдаемую разницу между количеством материи и антиматерии во Вселенной. 

График зависимости тока от магнитного поля при разных температурах. Стрелками обозначены полуцелые ступени — свидетельство существования майорановских фермионов. Qing Lin He et al. / arXiv.org, 2016

Поиски майорановских фермионов ведутся и среди квазичастиц — «ненастоящих» частиц, которые физики вводят для упрощения некоторых сложных многочастичных процессов. К примеру, коллективные колебания атомов в кристаллической решетке можно заменить на одну квазичастицу — фонон, сложное движение электронов в твердом теле можно упростить, рассматривая вместо него квазичастицу, взаимодействие которой с соседями заменяется простым уменьшением «эффективной массы». В одной из моделей спиновых жидкостей (модели Китаева, подробнее о ней можно прочитать в нашем интервью с ее автором) возникает квазичастица, связанная с распределением электронов. Ее поведение описывает уравнение, совпадающее с уравнением Этторе Майораны — поэтому ее тоже называют майорановским фермионом. 

Оказывается, на майорановских фермионах в твердом теле можно построить кубиты для квантового компьютера. Это было показано Алексеем Китаевым. Особенности их поведения приводят к тому, что их квантовое состояние очень трудно разрушить, что очень важно для квантовых вычислений. Некоторые косвенные признаки существования таких квазичастиц — майорановских фермионов — уже наблюдались, но их недостаточно чтобы говорить об открытии.

Схема эксперимента. Qing Lin He et al. / arXiv.org, 2016

Авторы новой работы впервые показали, что квазичастицы, ведущие себя как майорановские фермионы, могут существовать в действительности. Для этого физики создали необычную слоеную структуру, состоящую из двух материалов: сверхпроводника (ниобий) и топологического изолятора с аномальным эффектом Холла (теллурида хрома, висмута и сурьмы). Топологические изоляторы характеризуются тем, что проводят электрический ток только вдоль своей поверхности — в толще материала они изоляторы. Сверхпроводники же способны проводить электрический ток без потерь. На границе материалов возникало состояние, которое ученые назвали сверхпроводящим топологическим изолятором.

Чтобы добиться возникновения майорановских фермионов, исследователи выбрали магнитный топологический изолятор — это влияло на характер токов в материале. На одном крае материала ток был направлен в одну сторону, на другом — в другую. «Неуловимые» частицы проявлялись при изменении магнитного поля, в котором протекал ток, на противоположное. При этом ток обычных электронов изменялся ступенчато. Майорановские фермионы проявили себя в виде дополнительных ступеней — высотой ровно в два раза меньше, чем у электронов, этого и ожидали авторы. 

Схема хиральных токов в топологическом изоляторе (белый) и топологическом сверхпроводящем изоляторе (пересечение белого с синим). Характер и траектория токов разной хиральности меняются в зависимости от состояния частей системы (их чисел Черна), а те, в свою очередь, меняются в магнитном поле. Qing Lin He et al. / arXiv.org, 2016

Подобные ступенчатые изменения связаны с топологическими свойствами материалов. В 2017 году за разработку теории, описывающей топологические фазовые переходы, была вручена Нобелевская премия по физике. При ее анонсировании представители Шведской академии наук сравнили переходы в материалах с появлением новых отверстий в объекте (условно, переходом от кекса к бублику, а затем кренделю). Изменение числа таких отверстий (с изменением магнитного поля) приводит к скачкообразному изменению электропроводности материала.

Изменения топологии системы приводят к ступенчатым изменениям электропроводности. Nobelprize.org

Работу прокомментировалфизик-теоретик Франк Вильчек, нобелевский лауреат, работавший над теорией сильных взаимодействий. «Работа выглядит как очень ясное наблюдение чего-то нового. Это не неожиданное открытие, физики долгое время предполагали, что майорановские фермионы могут появиться в тех объектах, которые использовались в эксперименте. Но авторы собрали воедино несколько материалов, которые до них еще никто не собирал. Целенаправленное создание систем, в которых этот новый вид квантовых частиц может надежно наблюдаться — это по-настоящему важное достижение».

Автор: Владимир Королёв