Согласно исследованию, опубликованному в журнале Science, авторы считают, что ранее заявленное подтверждение существования фермионов Майораны, известных как «частицы ангела», оказалось ошибочным.
Этторе Майорана, итальянский физик, впервые высказал предположение о существовании майорановского фермиона — уникальной частицы, являющейся одновременно и своей собственной античастицей, еще в 1937 году. В ознаменование этого открытия загадочный фермион получил свое имя.
В эпоху Майораны данная частица представляла собой лишь теоретическую концепцию, и ее существование не поддавалось проверке. В настоящее время исследователи стремятся найти доказательства этой гипотезы. Физики, изучающие элементарные частицы, надеются установить, может ли субатомная частица нейтрино выступать в роли «частицы ангела», а специалисты в области физики конденсированных сред рассчитывают обнаружить признаки частиц с майорановскими свойствами, используя твердотельные устройства, сочетающие в себе необычные квантовые материалы и сверхпроводники.
Изучение фермионов имеет большое значение для физики конденсированных сред, поскольку их уникальные характеристики открывают перспективы для разработки топологического квантового компьютера. Кубиты подобного компьютера имели бы встроенную защиту от декогеренции среды – одной из ключевых трудностей при создании квантовых компьютеров, которая связана с потерей информации из-за недостаточной изоляции квантовой системы).
В 2017 году стало известно об успешном проведении экспериментов, которые выявили признаки существования «частиц ангела». Физики из Университета штата Пенсильвания совместно с учеными из Вюрцбургского университета в Германии проверили информацию, на которой основывалось это утверждение, и выяснили, возникли сомнения в корректности интерпретации результатов экспериментов. Исследователи изучили работу устройств, изготовленных на основе «квантового аномального холловского изолятора» – материала, демонстрирующего течение электрического тока исключительно по границе. На данных, полученных в ходе экспериментов с такими устройствами, ранее были сделаны выводы о регистрации фермиона Майораны.
В исследовании 2017 года, которое подвергается критике в настоящей статье, предполагалось, что при контакте граничного тока со сверхпроводником формируются распространяющиеся киральные частицы Майораны, и электропроводимость устройства должна демонстрировать «полуквантование» (равную e2 / 2h, где «e» — заряд электрона, а «h» — постоянная Планка) под воздействием точного магнитного поля.
Согласно исследованию, проведенному учеными из Пенсильвании и Вюрцбурга, устройства с чистым сверхпроводящим контактом демонстрируют полуквантованное значение, не зависящее от внешнего магнитного поля. Это связано с тем, что сверхпроводник функционирует как электрическое короткое замыкание, и наблюдаемые явления не свидетельствуют о наличии майорановского фермиона.
Несмотря на полученные данные, исследователи подчеркивают, что теоретическая возможность существования частицы не исключена. Более того, они высказывают предположение, что сочетание квантовых аномальных холловских изоляторов и сверхпроводимости потенциально может позволить обнаружить признаки этого существования – однако для этого потребуются новые подходы. Дизайн эксперимента 2017 года подвергся обоснованной критике, поскольку две лаборатории независимо друг от друга получили результаты, противоречащие его заключениям.
По мнению авторов, их исследование служит ярким и показательным примером важности тщательной проверки полученных данных, особенно когда возникает искушение объявить о прорывном открытии. «Это прекрасный пример того, как должна развиваться наука: все сенсационные заявления требуют тщательной перепроверки и повторного воспроизведения», — заключает Нитин Самарт, профессор Университета штата Пенсильвания.