Fizycy donoszą o zdobyciu pierwszego bezsprzecznego dowodu na istnienie anyonów, cząstek, których istnienie zostało zaproponowane przed ponad 40 laty. Anyony to kwazicząstki, które nie są ani fermionami, ani bozonami zatem podlegają statystyce innej niż statystyka Fermiego-Diraca i Bosego-Einsteina. Anyony mogą istnieć w przestrzeni dwuwymiarowej.

Zdjęcie ilustracyjne

Odkrycie, którego dokonano za pomocą elektronicznego urządzenia 2D, może być pierwszym krokiem na drodze wykorzystania anyonów w przyszłych komputerach kwantowych.

Wszystkie cząstki elementarne są albo fermionami albo bozonami. Anyony nie należą do żadnej z tych kategorii. Fermiony są definiowane przez statystykę Fermiego-Diraca. Gdy dwa identyczne fermiony zamieniają się miejscem w przestrzeni ich funkcja falowa zmienia pozycję o 180 stopni. W przypadku zaś bozonów, definiowanych przez statystykę Bosego-Einsteina, nie dochodzi w takim przypadku do zmiany funkcji falowej. Innymi słowy, cząstki o spinach połówkowych (fermiony) dążą do pozostawania osobno od siebie, natomiast cząstki o spinach całkowitych (bozony) dążą do gromadzenia się. Anyony znajdują się gdzieś po środku. Zmiana pozycji anyonów powinna doprowadzić do zmiany funkcji falowej o kąt pośredni. Podlegają one statystyce cząstkowej.

Jeśli jedna kwazicząstka wykona pełen obrót wokół drugiej, co jest odpowiednikiem dwukrotnej zamiany pozycji pomiędzy nimi, informacja o tym ruchu zostanie zachowana w stanie kwantowym cząstki. I to właśnie ten zapamiętany stan jest jedną z cech charakterystycznych statystyki cząstkowej, której poszukiwali obecnie naukowcy, by potwierdzić istnienie anyonów.

Fizyk eksperymentalny Michael Manfra i jego zespół z Purdue University, stworzyli strukturę złożoną z cienkich warstw arsenku galu i arsenku aluminiowo-galowego. Struktura taka wymusza ruch elektronów w dwóch wymiarach. Urządzenie zostało schłodzone do 1/10 000 stopnia powyżej zera absolutnego i poddano je działaniu silnego pola magnetycznego. W ten sposób pojawił się tzw. izolator cząstkowego kwantowego efektu Halla. W izolatorze takim prąd elektryczny nie może przemieszczać się w wewnątrz urządzenia, a wyłącznie po jego krawędziach. Urządzenie może przechowywać kwazicząstki, których ładunek elektryczny nie jest wielokrotnością ładunku elektronów. Naukowcy podejrzewali, że kwazicząstki te to właśnie anyony.

By udowodnić, że istotnie mają do czynienia z anyonami, uczeni połączyli swoje urządzenie do elektrod w ten sposób, że ładunki mogły przepływać tylko po krawędziach. Właściwości urządzenia były dobierane za pomocą pola magnetycznego i elektrycznego. Spodziewano się, że manipulacja tymi polami albo zniszczy ani utworzy anyony wewnątrz urządzenia i spowoduje, że anyony będą przemieszczały się pomiędzy elektrodami. Jako, że poruszające się anyony mogą poruszać się dwiema możliwymi ścieżkami, a każda z nich powoduje pojawienie się innego skrętu ich fal, gdy anyony docierają do celu dochodzi do interferencji i pojawienia się wzorca określanego jako paski na piżamie.

Wzorzec ten pokazywał relatywną wartość skrętu fal anyonów pomiędzy obiema ścieżkami i był zależny od zmian napięcia i siły pola magnetycznego. Ostatecznym dowodem zaś były wyraźnie widoczne przeskoki, świadczące o znikaniu i pojawianiu się anyonów w urządzeniu.

Zespół Manfry nie jest jedynym, który przedstawił dowody na istnienie statystyki cząstkowej, zatem na istnienie anyonów. Jednak w wielu poprzednich przypadkach uzyskane wyniki dawało się wytłumaczyć również w inny sposób, mówi Bernard Rosenow, fizyk-teoretyk z Uniwersytetu w Lipsku specjalizujący się w badaniu materii skontensowanej. Tymczasem, jak sam przyznaje, nie znam innego wyjaśnienia dla wyników uzyskanych przez Manfrę, jak interpretacji mówiącej o statystyce cząstkowej. Jeśli więc inny zespół potwierdzi obserwacje Manfry i jego kolegów, będziemy mogli mówić o odkryciu anyonów.

Anyony zaś mogą posłużyć do budowy komputerów kwantowych. Już zresztą istnieją teorie opisujące takie maszyny. W parach kwazicząstek można zapisać informacje o tym, jak krążyły one wokół siebie. Jako, że statystyka cząstkowa jest topologiczna, zależy od liczby okrążeń, jakie jeden anyon wykonał wokół drugiego, a nie od niewielkich zmian trajektorii, jest odporna na niewielkie zakłócenia.

Ta odporność zaś może spowodować, że topologiczne komputery kwantowe będą łatwiejsze do skalowania niż obecnie wykorzystywane technologie komputerów kwantowych, które są bardzo podatne na błędy. Microsoft, dla którego zresztą Manfra pracuje jako zewnętrzny konsultant, jest jedyną firmą pracującą obecnie nad topologicznymi komputerami kwantowymi. Inni giganci, jak IBM, Intel Google i Honeywell, udoskonalają inne technologie.

Jednak do wykorzystania anyonów w komputerach kwantowych jest jeszcze daleka droga. Obecne odkrycie jest ważniejsze z punktu widzenia fizyki niż informatyki kwantowej. Dla mnie, jako teoretyka zajmującego się materią skondensowaną, kwazicząstki są równie fascynujące i egzotyczne jak bozon Higgsa, mówi Rosenow.

Ze szczegółami pracy Manfry i jego zespołu można zapoznać się na łamach arXiv.

 

 

 

ŹródłoNature
5 1 vote
Article Rating