几十年来一直在寻找的外来粒子的存在,在新发现的超导体中得到了证明

时间:2020-04-15 23:37 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

几十年来一直在寻找的外来粒子的存在,在新发现的超导体中得到了证明

准粒子可能会自然地在物质中隐藏几十年。

粒子追逐是许多物理学家玩的游戏。有时,搜寻工作是在大型超级对撞机内进行的,在那里,为了找到隐藏的粒子和新的物理现象,需要壮观的碰撞。对于研究固体的物理学家来说,这个游戏发生在一个完全不同的环境中,而人们所追求的粒子并不是来自激烈的碰撞。相反,在物质内部深处发生的复杂的电子相互作用会产生类似粒子的实体,即准粒子。有时准粒子很容易探测到,但其他准粒子更难探测到,它们潜伏在难以触及的地方。

现在在伊利诺斯大学的一个研究小组,由物理学家维迪雅Madhavan,会同国家标准与技术研究所的研究人员,马里兰大学,波士顿学院,苏黎世联邦理工学院,用高分辨率显微镜工具对等的目的一种不同寻常的超导体,铀ditelluride (UTe2)。他们的测量结果有力地证明,这种物质可能是一种奇异准粒子的天然家园,几十年来,物理学家们一直对这种准粒子避而远之。这项研究结果发表在2020年3月26日的《自然》杂志上。

几十年来一直在寻找的外来粒子的存在,在新发现的超导体中得到了证明

早在1937年,意大利物理学家埃托雷·马略亚纳(Ettore Majorana)就提出了有关粒子的理论。从那以后,物理学家一直试图证明它们的存在。科学家们认为,一种被称为“手性非常规超导体”的特殊材料可能会自然地产生大藤本植物。UTe2可能具有产生这些难以捉摸的准粒子所需的所有性质。

在正常的超导体内部,电子以某种方式配对,使无损的、持续的电流成为可能。这与普通导体(如铜线)形成对比,当电流通过它时,它会升温。超导背后的部分理论是几十年前由三名英国科学家提出的,他们的工作获得了诺贝尔物理学奖。对于这种传统的超导性来说,磁场是大敌,它会破坏电子对,使材料恢复正常。在过去的一年里,研究人员发现双碲化铀的行为不同。

盛跑,2019年,尼古拉斯·布奇(包括在这项研究合著者)和他们的合作者宣布UTe2依然超导磁场的存在65特斯拉,这是大约10000倍冰箱磁铁只这种非常规行为,结合其他测量,导致论文的作者推测电子配对在一个不寻常的方式,使他们能够抵御分手。这种配对很重要,因为具有这种特性的超导体表面很可能存在马约拉纳粒子。Madhavan及其合作者的新研究加强了这方面的论证。

研究小组使用了一种叫做扫描隧道显微镜的高分辨率显微镜来寻找异常电子配对和马略阿纳粒子的证据。这架显微镜不仅能把双胞铀的表面描绘到原子的层次,而且还能探测电子的活动情况。材料本身是银色的,从表面突出的台阶。这些台阶特征是马约拉纳准粒子存在的最佳证据。它们提供了一个清晰的边缘,如果预测是正确的,即使没有施加电压,也应该显示出沿一个方向运动的连续电流的特征。研究小组扫视了台阶的两侧,发现了一个峰值信号。但峰值是不同的,这取决于扫描的是阶梯的哪一侧。

观察台阶的两边,你会看到一个互为镜像的信号。在正常的超导体中,你找不到这种情况。Madhavan又是说;观察镜像的最佳解释是,我们直接测量移动的马略阿纳粒子的存在。Madhavan说。研究小组说,测量结果表明,自由移动的马约拉纳准粒子正沿着一个方向一起循环,从而产生镜像信号或手性信号。

Madhavan说,下一步是进行测量,以确认这种材料打破了时间反转对称性。这意味着,如果时间之箭从理论上倒转过来,粒子的运动应该是不同的。这样的研究将为UTe2的手性性质提供额外的证据。

如果得到证实,双碲化铀将是除超流体He-3之外唯一被证明是手性非常规超导体的物质。这是一个巨大的发现,它将使我们了解这种罕见的超导性,也许,假以时日,我们甚至可以用一种对量子信息学有用的方式来操纵马略阿纳准粒子。

参考文献:手性超导性在重-费米金属ute2中的应用byLin Jiao, Sean Howard, Sheng Ran, Zhenyu Wang, Jorge Olivares Rodriguez, Manfred Sigrist, Ziqiang Wang, Nicholas P. Butch and Vidya Madhavan, 2020年3月25日,《自然》。

DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 2122 - 2

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