Dấu hiệu đầu tiên của những fermion Majorana ở dây nano

Các nhà vật lí ở Hà Lan cho biết họ vừa tìm thấy bằng chứng đầu tiên cho sự tồn tại của các “fermion Majorana” – những hạt là phản hạt của riêng chúng. Các nhà nghiên cứu khẳng định đã phát hiện ra cái họ gọi là “dấu hiệu” của những hạt hay lảng tránh này, chúng lần đầu tiên được dự đoán bởi nhà vật lí người Italy Ettore Majorana vào năm 1937, tại chỗ tiếp giáp giữa một dây bán dẫn nhỏ xíu và một điện cực siêu dẫn. Tuy nhiên, các fermion Majorana phát hiện ra ở Hà Lan không phải là những hạt sơ cấp mà là giả hạt – những thực thể giống như hạt xuất hiện từ hành trạng tập thể của các electron trong chất rắn.

Vừa củng cố cho tiên đoán ban đầu của Majorana, khám phá trên còn phù hợp với nghiên cứu lí thuyết mới đây rằng giả hạt này có thể đang ẩn náu bên trong các dụng cụ bán dẫn. Nội dung vừa nói có thể quan trọng đối với sự phát triển của máy tính lượng tử vì fermion Majorana – không giống như các fermion “Dirac” vốn quen thuộc hơn, ví dụ như electron – tuần theo “thống kê phi Abel” và vì thế sẽ kháng lại sự nhiễu do môi trường. Do đó, các fermion Majorana có thể lưu trữ và truyền thông tin lượng tử mà không bị nhiễu loạn bởi thế giới bên ngoài, cái vốn là liều thuốc độc đối với những ai đang cố chế tạo một máy tính lượng tử thực tế.

Leo Kouwenhoven (phải) và các đồng nghiệp đang kiểm tra thiết bị dùng để tìm ra những dấu hiệu đầu tiên của một fermion Majorana. (Ảnh: Sam Rentmeester)

Một nửa và một nửa

Bằng chứng mới cho các fermion Majorana thu được bởi một đội đứng đầu là Leo Kouwenhoven tại trường Đại học Công nghệ Delft và trường Đại học Công nghệ Eindhoven. Họ đã nghiên cứu những chất liệu gọi là “chất cách điện tô pô học”. Đây là những chất liệu cách điện trong khối chất nhưng dẫn điện trên bề mặt của chúng thông qua các trạng thái điện tử bề mặt đặc biệt. Lí thuyết dự đoán rằng có thể tạo ra các fermion giả hạt Majorana bằng cách kết hợp một chất siêu dẫn bình thường với một chất cách điện tô pô học.

Nếu đặt một chất siêu dẫn tiếp xúc với một chất cách điện tô pô học, thì các trạng thái bề mặt trở nên siêu dẫn. Vì các trạng thái bề mặt là “một nửa” hệ electron 2D bình thường, nên trạng thái siêu dẫn của chúng là “một nửa” chất siêu dẫn bình thường. Đây là tình trạng mà các nhà vật lí tin là sẽ dẫn tới sự xuất hiện của giả hạt farmion Majorana.

Với chất cách điện tô pô học của mình, đội khoa học đã sử dụng một dây nano indium strontium, nó bắt cầu qua khe trống giữa một điện cực siêu dẫn làm bằng niobium titanium nitride và một điện cực bình thường làm bằng vàng. Dụng cụ được làm lạnh xuống tới nhiệt độ vài chục milikelvin và một từ trường đặt vào theo hướng của dây nano.

Những cực đại bền

Sau đó, đội nghiên cứu đã đo dòng điện chạy qua dây nano là một hàm của điện áp – và, đặc biệt, cách dòng điện biến thiên theo sự biến thiên điện áp. Lúc không có từ trường, họ quan sát thấy hai cực đại nhỏ ở hai bên của điện áp zero. Khi từ trường tăng lên, thì hai cực đại này vẫn ở chỗ cũ. Điều này cũng xảy ra khi có điện trường đặt vào dây nano.

Theo đội nghiên cứu, sự thiếu phản ứng như thế này của các cực đại đối với từ trường và điện trường chỉ có thể giải thích do sự có mặt của những cặp fermion Majorana tạo mỗi đầu của dây nano. ‘Cái kì lạ ở cơ học lượng tử là một hạt Majorana tạo ra theo cách này giống với những hạt có thể quan sát thấy trong một máy gia tốc hạt, mặc dù điều đó rất khó hiểu,” Kouwnhoven nói.

Đội khoa học hiểu rằng những phép đo của họ không xác nhận những tính chất tô pô học như trông đợi của các fermion Majorana mà họ nhìn thấy – cái khiến những hạt này hữu ích đối với các ứng dụng điện toán lượng tử. Để xác nhận, đội nghiên cứu đã đề xuất một số thí nghiệm mới để đo những tính chất khác của các giả hạt trên nhằm xác thực bản chất phi Abel của chúng.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science.

Hoài Ân – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp