Bằng chứng cho sự tồn tại của các “fermion Majorana” – những hạt được đề xuất trên lí thuyết đồng thời là phản hạt riêng của chúng – có thể được nhìn thấy trong hành trạng của một lớp tiếp xúc Josephson mới lạ. Đó là quan điểm của các nhà vật lí tại trường Đại học Stanford ở Mĩ, họ đã khảo sát các tính chất của một lớp tiếp xúc Josephson tích hợp chất liệu được gọi là “chất cách điện tô pô học” kẹp giữa hai tiếp xúc siêu dẫn. Các nhà nghiên cứu tìm thấy những sai lệch đáng kể khỏi cái được nhìn thấy ở những lớp tiếp xúc Josephson bình thường – những sai lệch mà họ tin rằng có thể giải thích theo những giả hạt kiểu Majorana.
Lần đầu tiên được dự đoán bởi nhà vật lí người Italy Ettore Majorana hồi năm 1937 – không bao lâu trước khi ông mất tích một cách bí ẩn ở độ tuổi chỉ mới 31 – các fermion Majorana không những hấp dẫn vì chúng có là phản hạt riêng của chúng mà còn vì chúng chống lại sự nhiễu của môi trường. Nói cách, có thể sử dụng các fermion Majorana để lưu trữ và truyền thông tin lượng tử mà không bị nhiễu bởi thế giới bên ngoài, đó là ‘thuốc giải’ cho những ai đang cố gắng xây dựng một máy tính lượng tử thực tiễn.
Mặc dù bằng chứng rõ ràng cho sự tồn tại của các fermion Majorana cho đến nay chưa có, nhưng các nhà lí thuyết đã tính được rằng các kích thích giống hạt, hay các giả hạt, trông tựa như các fermion Majorana có thể tồn tại tại lớp tiếp xúc nơi một chất cách điện tô pô học – một chất liệu chỉ dẫn điện trên bề mặt của nó – được đặt gần một chất siêu dẫn bình thường. Những giả hạt này được gọi là các “mode năng lượng zero” vì chúng nằm cạnh năng lượng Fermi của chất liệu đó.
Trong trường hợp một lớp tiếp xúc Josephson chứa một chất cách điện tô pô học làm “đường dẫn yếu” giữa hai chất siêu dẫn, thật sự có hai lớp tiếp xúc chất siêu dẫn-chất cách điện tô pô học đối-lưng-nhau, và người ta nghĩ các fermion Majorana đó kết hợp với nhau và ra khỏi năng lượng zero. Tuy nhiên, nếu tác dụng một từ trường nhỏ xíu – dù nhỏ cỡ bằng một nửa lượng tử thông lượng siêu dẫn – vào lớp tiếp xúc đó, thì hai mode Majorana mất kết hợp và cả hai tồn tại ở năng lượng zero.
Hình ảnh nhiễu xạ từ cho một lớp tiếp xúc Josephson với một đường dẫn yếu là chất cách điện tô pô học. Trục ngang là từ trường tác dụng, trục đứng là dòng điện chạy qua lớp tiếp xúc. Màu sắc thể hiện điện trở vi sai với màu trắng là điện trở bằng không. (Ảnh: Phys. Rev. Lett.)
Đường dẫn yếu nhất
David Goldhaber-Gordon và các đồng sự tại Stanford đã nghiên cứu những lớp tiếp xúc như vậy và tim thấy một số hành trạng kì lạ, cái họ đã thử giải thích theo fermion Majorana. Khi các nhà thực nghiệm vẽ đồ thị của dòng siêu dẫn chạy qua một lớp tiếp xúc Josephson theo giá trị của từ trường ngoài, họ thường nhìn thấy một “hệ vân nhiễu xạ từ” (MDP) rõ ràng. Thông thường, MDP có một cực đại trung tâm rõ nét, nhưng ở các lớp tiếp xúc Josephson chất cách điện tô pô học, Goldhaber-Gordon và các đồng sự nhìn thấy một MDP phức tạp hơn nhiều với một vài cực đại bất ngờ. Thật vậy, cực tiểu đầu tiên xuất hiện tại khoảng một phần năm của độ lớn từ trường được trông đợi ở một lớp tiếp xúc Josephson bình thường.
Theo Goldhaber-Gordon, cấu trúc phức tạp hơn này có thể liên quan đến các mode Majorana năng lượng zero mà người ta trông đợi xảy ra tại những giá trị đặc biệt của từ thông. Tuy nhiên, để giải thích hệ vân nhiễu xạ quan sát thấy, Goldhaber-Gordon trình bày rằng cần có ba – thay cho một – mode năng lượng zero. Một trong những mode này có thể đi cùng với một fermion Majorana, trong khi hai mode kia có thể đi cùng với những fermion thông thường khác – cái Goldhaber-Gordon cho biết là đã được một số nhà lí thuyết đề xuất.
Dòng điện tới hạn nhỏ hơn
Một đặc điểm khác thường nữa mà đội nghiên cứu nhìn thấy là giá trị của dòng điện tới hạn của dụng cụ (trên đó nó không còn siêu dẫn nữa) nhân với điện trở của nó ở trạng thái bình thường, không siêu dẫn. Tích này thường tỉ lệ với khe năng lượng siêu dẫn, nhưng đội nghiên cứu đo được một giá trị nhỏ hơn trông đợi nhiều lần. Giá trị được tìm thấy đó còn tỉ lệ nghịch với bề rộng của dụng cụ tiếp xúc Josephson – nghĩa là, khoảng cách đo ngang dụng cụ vuông góc với dòng siêu dẫn.
Dựa trên một mô tả lí thuyết công bố hồi năm 2008 bởi Charles Kane và Liang Fu tại trường Đại học Pennsylvania ở Mĩ, Goldhaber-Gordon và các đồng sự giả sử rằng các fermion Majorana bị giam cầm trong một sợi dây một chiều chạy dọc theo bề rộng của lớp tiếp xúc Josephson. Kết quả là một chuỗi mức năng lượng bị lượng tử hóa tỉ lệ nghịch với bề rộng của dụng cụ. Đội khoa học cho rằng khe trống giữa những mức năng lượng này mang lại một thang năng lượng mới và nhỏ hơn trên đó sự siêu dẫn ngừng xảy ra – giải thích được các giá trị đã đo nhỏ hơn.
Mặc dù đội nghiên cứu đã phân tích các kết quả của họ trong ngữ cảnh fermion Majorana, nhưng Goldhaber-Gordon nhấn mạnh rằng đội của ông chỉ mới ở giai đoạn sơ khai của việc khảo sát hành trạng của những lớp tiếp xúc giữa chất siêu dẫn và chất cách điện tô pô học. “Nhiều phương diện của các chất liệu và lớp tiếp xúc vẫn chưa được hiểu rõ,” ông nói. “Chúng tôi hoan nghênh các ý kiến giải thích dữ liệu này, cho dù chúng có liên quan đến fermion Majorana hay là không.”
Tham khảo: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i5/e056803
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
