Новая частица: материя и антиматерия в одном флаконе

С 1930-х годов ученые искали частицы, которые одновременно представляли бы собой материю и антиматерию. Недавно физики обнаружили веские доказательства существования такой частицы внутри сверхпроводящего материала. Это открытие может представлять собой первую так называемую майорановскую частицу и поможет исследователям кодировать информацию для квантовых компьютеров.

Физики считают, что у каждой материальной частицы есть противоположность в виде антиматерии с такой же массой, но противоположным зарядом. Когда материя встречается с антиматерией, они аннигилируют, то есть уничтожают друг к друга. Однако некоторые частицы могут быть сами себе антиматерией, как предположил в 1937 году итальянский физик Этторе Майорана. Впервые с тех пор ученые заговорили о том, что обнаружили одну из таких частиц, о чем и сообщили в Science от 3 октября.

Новая майорановская частица обнаружилась внутри сверхпроводника, материала, в котором свободное движение электронов позволяет электричеству течь без сопротивления. Исследовательская группа во главе с Али Яздани из Принстонского университета поместила длинную цепочку атомов железа (которые магнитные) на вершине сверхпроводника из свинца. В обычном состоянии магнетизм нарушает принцип работы сверхпроводников, поскольку именно отсутствие магнитных полей позволяет электронам течь беспрепятственно. Но в этом случае магнитная цепь превратилась в особый тип сверхпроводника, в котором соседствующие в цепи электроны скоординировали свои спины, чтобы одновременно удовлетворить требованиям магнетизма и сверхпроводимости. Каждую из таких пар можно рассматривать как электрон и антиэлектрон с отрицательным и положительным зарядом соответственно. Эта договоренность, однако, оставляет по одному электрону на каждом конце цепи без соседней пары, заставляя их принимать свойства как электрона, так и антиэлектрона — другими словами, майорановские частицы.

В отличие от частиц, которые обнаруживаются в вакууме, не связанных с другой материей, эти майорановские частицы называются «возникающими частицами». Они вытекают из коллективных свойств окружающего вещества и не могут существовать вне сверхпроводника.

Новое исследование демонстрирует убедительные сигнатуры майорановских частиц, считает Лео Кувенховен из Технологического университета Делфта в Нидерландах, который не принимал участия в исследовании, но ранее обнаружил следы майорановских частиц в другом сверхпроводнике.

«Но чтобы убедительно говорить о полном доказательстве, думаю, нужно сделать тест на ДНК, — он имеет в виду, что такой тест должен показать, что частицы не подчиняются привычным законам двух известных классов частиц — фермионов (протонов, электронов и других знакомых нам частиц) и бозонов (фотонов и других переносчиков силы, включая бозон Хиггса). — Что мы точно знаем о «майоранах», так это то, что они принципиально новый класс частиц. И если вы находите новый класс частиц, вы просто добавляете новую главу в физику».

Физик Джейсон Элисеа из Калифорнийского технологического института, также не принимавший участия в исследовании, сказал, что исследование предлагает «убедительные доказательства» майорановских частиц, но «мы должны иметь в виду возможные альтернативные объяснения — даже если они не будут очевидными». Плюс в том, что установка для производства неуловимых майорановских частиц оказалась довольно простой. Это значит, что ученые уже в самом скором времени смогут подтвердить или опровергнуть находку.

Открытие майорановских частиц может иметь серьезные последствия для поиска подобных частиц за пределами сверхпроводниковых материалов. Многие физики подозревают, что нейтрино — легчайшие частицы, странным образом меняющие свою сущность, или аромат — также являются майорановскими частицами, и дальнейшие эксперименты прольют свет на эту догадку. Теперь, когда мы знаем, что майорановские частицы могут существовать внутри сверхпроводников, никого не удивит находка и за их пределами. Как только общая концепция подтвердится, ее, вероятнее всего, подтвердят и на другом примере.

Это открытие также может быть полезно для построения квантовых компьютеров, которые используют законы квантовой механики и обещают в разы ускорить вычисления, обойдя традиционные компьютеры. Один из главных вопросов в построении квантового компьютера — это перенос квантовых свойств вроде запутанности, который приведет к коллапсу в случае внешнего вмешательства. Майорановские частицы на каждом из концов цепи будут обладать иммунитетом к такой опасности, поскольку она может привести к уничтожению любой закодированной информации. На основе майорановских частиц можно будет построить квантовый бит (или кубит), который будет намного надежнее всех, произведенных до сих пор.