Bilimciler 1930’lardan bu yana, aynı anda hem madde hem de karşımadde olan parçaçıkları araştırıyordu. Şimdi, fizikçiler bir süperiletken malzemenin içinde böyle bir varoluşun güçlü bir kanıtını buldu. Majorana denen parçacığa ilişkin bu ilk keşif, araştırmacıların kuantum bilgisayarlar için bilgi kodlamasını sağlayabilir.
GÖRSEL: Fizikçiler, kurşundan yapılmış bir süperiletken (sarı çubuk) üstündeki demir atomları görüntülemek üzere taramalı tünelleme mikroskopu (STM) kullandı. Burada sunulan renkler, verilen herhangi bir noktanın içerdiği, madde ve karşımadde olan Majorana parçacığının kuantum olasılığını temsil ediyor. Kuramsal olarak varlığına işaret edildiği üzere, büyütülmüş alan Majorana parçacığının bulunma olasılığının zincirin ucunda büyük ölçüde arttığını gösteriyor.
CREDIT: Yazdani Lab, Princeton University
Fizikçiler maddeyi oluşturan her parçaçığın aynı kütleli ama karşıt yüklü, kendisiyle eş bir karşımaddeye sahip olduğunu düşünüyor. Madde kendi eşi karşımaddeyle karşılaştığında ikisi birbirini yok ediyor. Ancak, İtalyan fizikçi Ettore Majorana’nın 1937’deki bir öngürüsüne göre, bazı parçacıklar kendi karşımaddeleriyle bir çift oluşturabilir.
İşte ilk kez, araştırmacılar bu Majorana parçacıklarından birini görüntülediklerini söylüyor. Araştırmacıların bulgularıyla ilgili rapor Science’da, 3 Ekim’de yer aldı.
Yeni Majorana parçacığı bir süperiletken* malzemenin içinde gösterildi. Princeton Üniversitesinden Ali Yazdani liderliğindeki araştırma ekibi kurşundan yapılmış bir süperiletkenin en üstüne manyetik demir atomlarından oluşan bir uzun zincir yerleştirdi. Normal olarak manyetizma süperiletkenliği bozar çünkü süperiletkenin içinde elektron akışını engeller. Oysa, buradaki durumda, zincirdeki birbirine bitişik elektronlar manyetizma ve süperiletkenlik gereksinmelerini eş zamanlı karşılamak üzere kendi dönülerini (açısal momentum) uyumlaştırarak çiftler oluşturdu; bu sayede manyetik zincir özel türde bir süperiletkene dönüştü. Bu çiftlerin her biri negatif yüklü bir elektron ve pozitif yüklü bir karşıelektron gibi düşünülebilir. Bu düzenleme, yine de zincirin eşleşecek bir komşusu olmayan her bir ucunda, bir elektron bırakır. Bırakılan elektronlar da hem elektron hem de karşıelektron özelliklerini üzerine toplar. Başka bir deyişle, bu özellikleriyle, iki uçtan bırakılan elektronlar Majorana parçacıklarıdır.
Vakumda bulunan parçaçıklara karşıt olmasına rağmen öteki maddeye bağlanmayan bu Majoranlar’a “görünüveren (ing: emergent) parçacıklar” deniyor. Parçacıklar, çevresindeki maddenin kollektif özelliklerinden ortaya çıkıyor, ama süperiletkenin dışında varlığını sürdüremiyor.
Çalışma fizikçiler arasında hemen yankılandı: Hollanda’daki Delft Teknoloji Üniversitesinden, bu araştırmayı değerlendiren Leo Kouwenhoven’a göre yeni çalışma Majorana parçaçıklarının ikna edici bir işaretini gösteriyor. Kouwenhoven çalışmaya katılmış biri değil ama, daha önce yaptığı farklı bir süperiletken düzenlemesinde Majorana parçacıklarının izlerini bulmuştu. Kouwenhoven, “Kesin kanıtı, tam ispatı konuşmak için “DNA testi” yaptırmak zorunda olduğunuzu düşünüyorum.” diyor. “Böyle bir testle, bulunan parçacıkların doğadaki bilinen iki sınıftan parçacıkların** uyduğu yasalara uymadığının gösterilmesi gerekli.” diyen Kouwenhoven’e göre Majorana’ları harika kılan şey bunların potansiyel yeni bir sınıftan parçacık olması; ve elbette yeni bir sınıftan parçacık bulunursa Fizik’e gerçekten yeni bir bölüm eklenmeli.
California Teknoloji Üniversitesinden fizikçi Jason Alicea da çalışmayı değerlendirenler arasında. Alicea çalışmanın Majorana parçacıkları için ikna edici bir kanıt sağladığını ama alternatif açıklamaların da akılda tutulması gerektiğini belirtti; zor bulunan Majoranalar’ı kolayca üretme becerisi gösteren deney düzeneğini de övdü.
Keşfin, süperiletken malzemelerin dışında Majorana parçaçıklarının araştırılmasına da etkileri olabilir. Çoğu fizikçi Majorana parçacıklarının nötrinolar olmasından şüphe ediyor; zaten deneyler bu durumu açıklığa kavuşturmak için sürüyor.
Yazdani de “Majorana parçacıklarının süperiletkenlerin içinde varolacağını artık biliyoruz, onları doğada da bulmak şaşırtıcı olmaz.” diyor ve ekliyor: “Bir kez, kavramın doğru olduğunu bulunca, fiziğin başka katmanlarında onu göstermek çok olası. Bu çok heyecan verici bir şey.”
Keşif bildik bilgisayarlardan kat kat daha hızlı olan kuantum bilgisayarların üretiminde de çok yarayışlı olabilir.
*Süperiletken malzemeler, elektronlarının serbest hareketiyle direnç göstermeksizin elektrik akışı sağlar.
** Fermionlar (proton, elektron ve bilindik öteki parçacıklar), Bozonlar (fotonlar ve Higgs bozonunun da dahil olduğu öteki kuvvet taşıyıcı parçaçıklar)