Lần đầu thấy fermion Majorana bí ẩn trong một kim loại thông thường

Các nhà vật lý tại MIT và nơi khác đã thấy bằng chứng của các hạt fermion Majorana – những hạt về mặt lý thuyết cũng là phản hạt của chính nó – trên bền mặt của một kim loại thông thường, vàng. Đây là cái nhìn đầu tiên về các fermion Majorana trên một nền tảng có thể có tiềm năng mở rộng quy mô. Kết quả được xuất bản trên "Proceedings of the National Academy of Sciences", là một bước tiến lớn hướng về việc cô lập các hạt thành thành các qubit bền vững cho tính toán lượng tử.

Trong vật lý hạt, fermion là một  loại hạt cơ bản bao gồm các electron, proton, neutron, và quark, tất cả cùng tạo ra các khối cơ bản của vật chất. Phần lớn các hạt này được coi là các fermion  Dirac, sau khi nhà vật lý Anh Paul Dirac, người đầu tiên dự doán tất cả các hạt cơ bản fermion phải có bản sao, ở một vài nơi trong vũ trụ này, trong hình thức một phản hạt – về bản chất là một hạt sinh đôi có điện tích trái dấu.

Năm 1937, nhà vật lý lý thuyết người Ý Ettore Majorana đã mở rộng lý thuyết của Dirac, dự đoán là giữa các fermion, có một số hạt khác, từ đó được đặt tên là hạt fermion Majorana, được phân biệt với các phản hạt của chúng. Một cách bí ẩn nhà vật lý này đã biến mất trong một chuyến tàu rời khỏi bờ biển Ý chỉ một năm sau dự đoán của mình. Kể từ đó, các nhà khoa học tìm kiếm hạt bí ẩn của Majorana. Người ta từng đề xuất mà chưa chứng minh được là có thể có một hạt Majorana. Mặt khác, các nhà lý thuyết dự đoán là các hạt fermion Majorana có thể tồn tại trong trạng thái đậm đặc ở những điều kiện đặc biệt.

Hiện tại một nhóm nghiên cứu do các nhà nghiên cứu MIT dẫn dắt đã quan sát bằng chứng về các hạt fermion Majorana trong một hệ vật liệu họ thiết kế và chế tạo, trong đó chứa các dây vàng nano được cấy trên đỉnh một vật liệu siêu dẫn là vanadium, và điểm các chấm là các ‘hòn đảo’ sắt từ nhỏ của Europi(II) sunfua. Khi các nhà nghiên cứu quét bề mặt này gần các hòn đảo, họ thấy tín hiệu tăng vọt gần mức năng lượng bằng không trên đỉnh bề mặt của vàng mà theo lý thuyết, chỉ có thể sinh ra từ các cặp fermion Majorana.

“Các ferminon Majorana là những thứ kỳ lạ được nhiều người mơ ước được chiêm ngưỡng, và giờ đây chúng tôi đã thấy chúng trong một kim loại rất bình thường – vàng”, Jagadeesh Moodera, một nhà nghiên cứu chính tại Khoa Vật lý của MIT. “Chúng tôi đã chứng tỏ là chúng ở đó và dễ dàng có thể tăng quy mô”.

“Bước tiếp theo sẽ là nắm lấy các vật thể này đưa chúng trở thành các qubit, vốn là một quá trình quan trọng để tiến gần tới máy tính lượng tử”, theo Patrick Lee, giáo sư vật lý William& Emma Rogers tại MIT và là đồng tác giả nghiên cứu này.

Rủi ro cao

Nếu được khai thác, các hạt fermion Majorana trở thành các qubit hoặc các đơn vị tính toán đơn lẻ cho các máy tính lượng tử. ý tưởng một qubit có thể được làm từ những kết hợp các cặp fermion Majorana, mỗi hạt chia tách với chính phản hạt của chúng. Nếu các lỗi gây nhiễu ảnh hưởng đến một hạt của cặp, hạt còn lại sẽ không bị ảnh hưởng, do đó bảo vệ được tính toàn vẹn của qubit và cho phép nó thực hiện tính toán một cách chính xác.

Các nhà khoa học đã tìm kiếm các hạt fermion Majorana trong các chất bán dẫn, vât liệu dùng trong máy tính có transistor thông thường. Trong những thực nghiệm đó, họ đã kết hợp các bán dẫn với siêu dẫn – các vật liệu để các electron di chuyển mà không gặp trở lực. Sự kết hợp này truyền các đặc tính siêu dẫn cho bán dẫn thông thường, vốn được các nhà vật lý cho là có thể khiến các hạt trong bán dẫn phân tách, hình thành các cặp fermion Majorana.

“Có nhiều nền tảng vật liệu mà con người tin tưởng là có thể thấy các hạt Majorana”, Lee nói. “Bằng chứng này ngày càng mạnh hơn nhưng vẫn chưa được chứng minh”.

Hơn nữa, những thiết kế chứa chất bán dẫn rất khó để tăng quy mô tạo ra hàng ngàn hoặc hàng triệu qubit cần thiết cho một máy tính lượng tử thực tế, bởi vì chúng đòi hỏi được nuôi từ các tinh thể vật liệu bán dẫn một cách chính xác và rất nhiều thách thức khi đưa chúng vào các siêu dẫn chất lượng cao.

Một thập kỷ, Lee, nghiên cứu với nghiên cứu sinh Andrew Potter, trên một ý tưởng: có lẽ các nhà vật lý phải có khả năng quan sát các hạt fermion Majorana trong một kim loại, một vật liệu có thể trở thành có tính siêu dẫn khi ở gần một siêu dẫn. Và các nhà khoa học thường đưa dùng kim loại, trong đó có vàng, để thử nghiệm. Ý tưởng của Lee là xem liệu trạng thái bề mặt của vàng – lớp nguyên tử phía trên của chúng – có thể tạo ra siêu dẫn hay không. Nếu thành công, sau đó vàng có thể là một hệ chính xác để các nhà nghiên cứu quan sát các fermion Majorana.

Trên cơ sở nghiên cứu trước đó của Moodera với chất cách ly sắt từ, Lee đề xuất là có thể thấy được các tín hiệu fermion Majorana nếu đặt hệ vật liệu lên đỉnh một trạng thái bề mặt của vàng.

“Khi đề xuất ý tưởng này, tôi không thể thuyết phục các nhà thực nghiệm cố gắng thử nghiệm nó, bởi công nghệ sẵn sàng”, Lee nói. Anh cuối cùng hợp tác với nhóm thực nghiệm của Moodera với kinh phí từ Templeton Foundation. “Những người trong nhóm như Jagadeesh và Peng thực sự đã phải thúc đẩy nó. Thật phải hết sức can đảm để tham gia thí nghiệm này dù nó hứa hẹn kết quả rất nhiều, bởi rủi ro của nó rất cao”.

“Kiếm tìm Majorana”

Các nhà nghiên cứu thấy sự “đột khởi” theo các cạnh đối diện của hòn đảo như lý thuyết đã dự đoán

Trong vài năm qua, các nhà nghiên cứu đã mô tả chi iết trạng thái bề mặt của vàng và chứng minh nó có thể hiệu quả như một nền tảng cho quan sát các fermion Majorana, sau khi nhóm nghiên cứu này bắt đầu chế tạo thiết kế mà Lee đã hình dung nhiều năm trước.

Họ đã nuôi cấy thành công một lớp siêu dẫn vanadium, trên đỉnh của nó họ xếp chồng các dây nano vàng thành lớp dày khoảng 4 nano mét. Họ thử nghiệm tính dẫn của lớp trên cùng của vàng và thấy rằng trên thực tế nó đã có tính siêu dẫn khi được xếp gần với vanadium. Sau đó họ để lắng các ‘đảo’ europium sulfide, một vật liệu sắt từ có thể cung cấp từ trường để tạo ra các fermion Majorana, trên các dây vàng nano.

Nhóm nghiên cứu sau đó đã áp một điện áp cực nhỏ vào và dùng kính hiển vì quét truyền qua, một kỹ thuật đặc biệt cho phép họ quét phổ năng lượng quanh từng hòn đảo trên bề mặt vàng.

Moodera và đồng nghiệp sau đó thấy một tín hiệu năng lượng rất đặc biệt mà chỉ có các hạt fermion Majorana có thể tạo được ra, nếu chúng tồn tại. Trong bất kỳ vật liệu siêu dẫn nào, các electron di chuyển khắp các phạm vi năng lượng nào đó, tuy nhiên vẫn có một sa mạc, hay một “khoảng trống năng lượng” không có electron nào. Nếu có một đột ngột xảy ra bên trong khoảng trống đó, đó thực sự là một dấu hiệu của fermion Majorana.

Nhìn vào trong dữ liệu của mình, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy những “đột khởi” bên trong khoảng trống năng lượng ở hai phía đối diện của các đảo dọc theo hướng của từ trường, đó là những dấu hiệu rõ ràng của các cặp fermion Majorana.

“Chúng tôi chỉ thấy sự “đột khởi” theo các cạnh đối diện của hòn đảo như lý thuyết đã dự đoán”, Moodera nói. “Không thể thấy điều đó ở bất kỳ chỗ khác”.

“Tôi có thể nói là chúng tôi đang tìm kiếm Majorana, trên một hòn đảo trên một biển vàng”, Lee cho biết thêm.

Moodera cho biết thiết kế của nhóm đòi hỏi ba lớp – một lớp vàng kẹp giữa sắt từ và siêu dẫn – là “một hệ thành công và bền vững một cách dễ dàng” có thể mở rộng quy mô để tạo ra các qubit mà vẫn kinh tế, nếu so với cách tiếp cận bằng chất bán dẫn thông thường.

“Hãy coi một cặp fermion Majorana là một bước tiến quan trọng để tạo ra một qubit”, Wei  nói. “Bước tiếp theo sẽ là tạo ra một qubit từ các hạt này và chúng tôi giờ đang có một vài ý tưởng cho điều đó”.

Tô Vân dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-04-sighting-mysterious-majorana-fermion-common.html