Mokslo ir technologijų pasaulis

Nuo praėjusio amžiaus ketvirto dešimtmečio mokslininkai ieškojo dalelių, kurios vienu metu yra ir medžiaga ir antimedžiaga. O visai neseniai mokslininkai aptiko gana įtikinamų įrodymų, jog tokių dalelių iš tiesų esama superlaidžioje medžiagoje.

Jų atradimas gali būti pirmas praktinis vadinamosios Majoranos dalelės egzistavimo įrodymas, padėsiantis koduoti informaciją kvantiniuose kompiuteriuose.

Fizikai mano, jog kiekviena medžiagos dalelė turi savo antimedžiagos atitikmenį – tokios pačios masės, bet priešingo krūvio dalelę. Medžiagai ir antimedžiagai susitikus jos abi anihiliuojasi. Tačiau kai kurios medžiagos gali būti pačios savęs antimedžiagos atitikmenys – taip 1937 metais pareiškė fizikas Ettore Majorana iš Italijos. O dabar gali būti, jog šio italo pareiškimas patvirtintas eksperimentiškai – mokslininkai mano užfiksavę tokią dalelę. Savo darbo rezultatą jie aprašė žurnale „Science“.

Naująją Majoranos dalelę pavyko pastebėti superlaidininke – medžiagoje, kurioje dėl laisvo elektronų judėjimo elektra teka be varžos. Mokslininkų grupė, vadovaujama Prinstono universiteto (JAV) fiziko Ali Yazdani, ant superlaidininko, pagaminto iš švino, uždėjo ilgą geležies atomų, pasižyminčių magnetinėmis savybėmis, grandinę.

Paprastai magnetizmas sutrikdo superlaidininkų veiklą – vienas iš jų veikimo reikalavimų yra magnetinių laukų, kurie trikdytų elektronų tėkmę, nebuvimas. Tačiau šiuo atveju magnetinė grandinė pati virto ypatingu superlaidininku, kuriame elektronai, esantys vienas greta kito grandinėje, koordinavo savo sukinius su kaimyniniais, tokiu būdu patenkinant ir magnetizmo, ir superlaidumo reikalavimus. Kiekvieną tokių elektronų porą galima buvo vertinti kaip elektroną ir antielektroną su atitinkamai neigiamu ir teigiamu krūviu. Bet esant tokiam išsidėstymui, abiejuose grandinės galuose lieka po vieną elektroną be kaimyno, su kuriuo galima būtų susiporuoti, todėl jie pasižymi vienu metu ir elektrono, ir antielektrono savybėmis. Kitaip tariant, jie tampa Majoranos dalelėmis.

Priešingai, nei dalelės, teoriškai randamos vakuume ir nesusijusios su jokia medžiaga, Majoranos dalelės yra vadinamosios „atsirandančiosios dalelės“. Jos atsiranda iš aplinkinės medžiagos suminių savybių ir negalėtų egzistuoti už superlaidininko ribų.

Pasak Nyderlandų Delfto universiteto fiziko Leo Kouwenhoveno (kuris su pastaruoju moksliniu darbu nesusijęs, tačiau anksčiau yra radęs panašių ženklų taikant kitokias superlaidininkų konfigūracijas), naujame tyrime pademonstruoti įtikinami Majoranos dalelės užfiksavimo įrodymai. „Bet norint tikrai kalbėti apie nepaneigiamus, nedviprasmiškus įrodymus, manau, reikia atlikti savotišką DNR tyrimą“, – sakė mokslininkas.

Pasak jo, toks tyrimas turėtų parodyti, kad dalelės nepaklūsta įprastiniams dėsniams, kurie nusako dvi žinomas natūraliai egzistuojančių dalelių klases – fermionus (protonus, elektronus ir daugumą kitų mums žinomų dalelių) ir bozonus (fotonus ir sąveikas pernešančias daleles, taip pat Higgso bozoną). „Šauniausias su Majoranos dalelėmis susijęs dalykas yra tai, jog jos galimai yra naujos dalelių klasės atstovės. Jeigu būtų aptikta nauja dalelių klasė, tuomet fizikoje tikrai būtų atverstas naujas lapas“, – svarstė fizikas iš Nyderlandų.

Kalifornijos technologijų instituto (JAV) fizikas Jasonas Alicea, kuris taip pat nepriklausė tyrimą atlikusių mokslininkų grupei, sakė, jog rezultatuose pateikiama „įdomių įrodymų“, kad Majoranos dalelė iš tiesų aptikta, tačiau jis įspėja, kad „turėtume nepamiršti ir alternatyvių paaiškinimų – netgi jei dabar pat neturime akivaizdžių kandidatų paaiškinimui“.

J. Alicea pagyrė Prinstono universiteto mokslininkų parengtą eksperimento metodiką, kuri bent jau iš pirmo žvilgsnio turėtų nesunkiai generuoti Majoranos daleles. „Vienas iš didžiausių jų sukurtos platformos privalumų lyginant su ankstesniais darbais – tai mokslininkams suteikta galimybė pritaikyti naują mikroskopo tipą siekiant tiksliai ištyrinėti smulkią fizikos anatomiją“, – sakė J. Alicea.

Majoranos dalelės atradimas gali būti reikšmingas ir už laboratorijų, dirbančių su superlaidininkais, ribų. Daugelis fizikų įtaria, jog neutrinai – labai lengvos dalelės, kurios, panašu, geba keisti savo savybes – taip pat yra Majoranos dalelės, šiuo metu vykdomi tokį įtarimą galintys patvirtinti eksperimentai. O kad jau žinome, jog Majoranos dalelės superlaidininkuose egzistuoti gali, veikiausia nebus taip jau netikėta jas atrasti ir natūralioje aplinkoje, svarsto A. Yazdani. „Nustačius, jog ši koncepcija yra teisinga, labai tikėtina, jog jos apraiškų pastebėsime ir kituose fizikos sluoksniuose. Tai labai žavinga“, – džiūgavo A. Yazdani.

Be to, toks atradimas gali būti naudingas ir kuriant kvantinius kompiuterius, kuriuos pritaikyti kvantinės mechanikos dėsniai – tokiais kompiuteriais skaičiavimus būtų galima atlikti nepalyginamai greičiau nei su įprastiniais kompiuteriais. Viena iš pagrindinių problemų, su kuriomis susiduria kvantinių kompiuterių kūrėjai – tai kvantinių savybių, tokių kaip susietumas (dviejų dalelių ryšys, kuomet nuo vienos jų būsenos priklauso kitos būsena) jautrumas išorės veiksniams. Grandinė su Majoranos dalelėmis galuose būtų atsparesnė išorės poveikiui, nes norint sunaikinti grandinės saugomą informaciją reikėtų paveikti abu jos galus vienu metu.

„Galima būtų sukurti Majoranos dalelių pagrindo kvantinį bitą. Iškelta idėja, jog toks bitas būųtų gerokai atsparesnis aplinkos poveikiui nei tie kvantiniai bitai, kuriuos bandyta panaudoti iki šiol“, – svarstė A. Yazdani.

Daugiau apie šį mokslinį darbą galima perskaityti čia.