Авторы статьи, вышедшей в Science, полагают, что подтверждение существования так называемых «частиц ангела» — фермионов Майораны — на самом деле было ложной тревогой.
Существование майорановского фермиона — особой частицы, которая одновременно своя собственная античастица — впервые предположил итальянский ученый, физик Этторе Майорана в 1937 году. В честь него этот загадочный фермион и получил свое название.
Во времена Майораны эта частица была умственной конструкцией: проверить ее существование тогда было невозможно. Сегодня ученые пытаются найти подтверждение гипотезы. Физики элементарных частиц хотят выяснить, может ли субатомный нейтрино оказаться «частицей ангела», а физики конденсированных состояний надеются найти признаки существования частиц с майорановскими свойствами с помощью твердотельных устройств, которые комбинируют экзотические квантовые материалы со сверхпроводниками.
Фермионы важны для физики конденсированных состояний, потому что их невероятные свойства могли бы помочь в создании топологического квантового компьютера. Кубиты такого компьютера были бы по своей природе защищены от одной из основных проблем в создании квантовых компьютеров — декогеренции среды (потери информации, возникающей, если квантовая система не полностью изолирована).
В 2017 году было объявлено, что удалось провести эксперименты, показавшие следы деятельности «частиц ангела». Ученые-физики из Университета штата Пенсильвания в соавторстве с коллегами из немецкого Вюрцбургского университета проверили данные, на которых было основано заявление, и выяснили, что интерпретация результатов экспериментов могла быть ошибочной. Команда проанализировала работу устройств, созданных на базе «квантового аномального холловского изолятора» — материала, в котором электрический ток течет только по краю. Именно на результатах экспериментов с подобными устройствами были построены доказательства регистрации существования фермиона Майораны.
Критикуемая авторами нынешней статьи работа 2017 года полагала, что если граничный ток находится в чистом контакте со сверхпроводником, возникают распространяющиеся киральные частицы Майораны, и электропроводимость устройства должна быть «полуквантована» (значение e2 / 2h, где «e» — заряд электрона, а «h» — постоянная Планка), когда подвергается точному магнитному полю.
Как показал анализ ученых из Пенсильвании и Вюрцбурга, изучивших более 30 устройств с несколькими конфигурациями материалов, устройства с чистым сверхпроводящим контактом будут всегда показывать полуквантованное значение без всякой зависимости от условий магнитного поля. Сверхпроводник просто действует как электрическое короткое замыкание, и происходящее не указывает на присутствие майорановского фермиона.
Ученые отмечают, что их работа не перечеркивает теоретической возможности существования частицы. Они даже предполагают, что комбинация квантовых аномальных холловских изоляторов и сверхпроводимости все же может способствовать регистрации следов этого существования — но не в нынешнем виде. Дизайн эксперимента 2017 года обоснованно поставлен под сомнение, учитывая, что сразу две лаборатории получили непротиворечивые результаты, опровергающие его выводы.
Авторы говорят, что их работа — важный и наглядный пример того, насколько тщательно необходимо проверять полученные данные, особенно там, где есть соблазн заявить о громком открытии. «Это отличная иллюстрация того, как наука должна работать. Сенсационные заявления об открытии нужно тщательно перепроверить и воспроизвести», — подытоживает профессор Университета штата Пенсильвания Нитин Самарт.