Το κυνήγι του φερμιονίου Majorana άρχισε από την δεκαετία του 1930, όταν ο Ιταλός φυσικός Ettore Majorana προέβλεψε πως ένα σταθερό σωματίδιο θα μπορούσε να είναι τόσο ύλη όσο και αντιύλη. Έκτοτε πλήθος σωματιδίων παρατηρήθηκε, όμως η έμπνευση του Majorana παρέμενε άπιαστη. Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 2010 …

Ettore Majorana: ένας φυσικός – θρύλος

Το 1938 ο ιδιοφυής φυσικός Ettore Majorana, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Nάπολης, επιβιβάστηκε στο φέρυ μπόουτ που κάνει τη διαδρομή Nάπολη – Παλέρμο. Από τότε αγνοούνται τα ίχνη του.

O Ettore Majorana (Έττορε Mαγιοράνα) γεννήθηκε στις 5 Αυγούστου του 1906 στην Κατάνια της Σικελίας. Από μικρός έδειξε ότι επρόκειτο για μια μεγαλοφυΐα, ένα παιδί-θαύμα, κυρίως εξαιτίας των ικανοτήτων του στα μαθηματικά. Το 1928 παράτησε τη σχολή των πολιτικών μηχανικών και αποφάσισε να γίνει θεωρητικός φυσικός. Εντάχθηκε στην ομάδα του Enrico Fermi στο Ινστιτούτο Φυσικής του Πανεπιστημίου της Ρώμης, και έγινε ένα από τα «παιδιά της οδού Πανισπέρνα».

Οι εκπληκτικές ικανότητες του Ettore στα μαθηματικά και η διαίσθησή του στη φυσική του προσέδωσαν μια αύρα «θεόσταλτου ταλέντου», πέρα από τις ανθρώπινες δυνατότητες. Φαινόταν σαν υπεράνθρωπος που απλώς «συναντούσε» τις απαντήσεις εκεί που οι άλλοι έπρεπε να τις αναζητήσουν, να εργαστούν σκληρά, χωρίς καν να είναι σίγουροι ότι θα τις έβρισκαν.

Η πρώτη του εργασία δημοσιεύθηκε το 1928 όταν ακόμα ήταν προπτυχιακός φοιτητής και ήταν σχετική με μια διαφορική εξίσωση του Fermi που κατέχει κεντρική θέση στο στατιστικό μοντέλο Thomas–Fermi για το άτομο.
Το 1932 οι Irène Joliot-Curie και Frédéric Joliot πραγματοποίησαν πειράματα τα οποία έδειχναν την ύπαρξη ενός άγνωστου σωματιδίου. Και ενώ οι Joliot νόμισαν ότι πρόκειται για ακτίνα γ, ο Majorana ήταν ό πρώτος που ερμήνευσε σωστά το πείραμα θεωρώντας ένα νέο σωματίδιο, χωρίς ηλεκτρικό φορτίο και μάζα περίπου όση το πρωτόνιο. Αυτό το σωματίδιο ήταν το νετρόνιο. Ο Fermi υπέδειξε στον Majorana να γράψει ένα σχετικό άρθρο, αλλά αυτός δεν το έκανε. Τελικά ο James Chadwick απέδειξε πειραματικά την ύπαρξη του νετρονίου ένα χρόνο μετά και βραβεύθηκε με το Nobel φυσικής για την ανακάλυψη αυτή.

Ο Majorana δεν ενδιαφερόταν να δημοσιεύει όλες τις ιδέες του, που ενώ τις περισσότερες φορές ήταν πρωτότυπες και μοναδικές ο ίδιος τις θεωρούσε κοινότυπες. Έτσι, συνολικά δημοσίευσε μόνο 9 εργασίες στην διάρκεια της ζωής του.

Στις αρχές του 1933 ο Majorana πήγε στη Λειψία, συνάντησε τον Heisenbeg με τον οποίο έγιναν φίλοι, και στη συνέχεια επισκέφτηκε την Κοπεγχάγη όπoυ συνεργάστηκε με τον Niels Bohr.

Όμως, το φθινόπωρο του 1933 επέστρεψε στην Ιταλία με την υγεία του σε κακή κατάσταση, με οξεία γαστρίτιδα και νευρική εξάντληση. Για 4 χρόνια απομονώθηκε και διέκοψε τις σχέσεις με τους φίλους του και δεν έκανε καμία δημοσίευση.

Επέστρεψε στην ακαδημαϊκή ζωή ως καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο πανεπιστήμιο της Νάπολης, παρακάμπτοντας τις τυπικές διαδικασίες διορισμού, λόγω της εξαιρετικής φήμης και εμπειρίας που απέκτησε στον τομέα της θεωρητικής φυσικής.

Ενώ η τελευταία εργασία του Majorana δημοσιεύθηκε το 1937, σχετικά με μια συμμετρική θεωρία των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων, ένα χρόνο μετά στις 27 Μαρτίου του 1938 ο Majorana εξαφανίστηκε μυστηριωδώς κατά τη διάρκεια της μετάβασής του με πλοίο από το Παλέρμο στη Νάπολη. Από τότε αγνοούνται τα ίχνη του. Οι έρευνες δεν οδήγησαν πουθενά, το πτώμα του δεν βρέθηκε ποτέ, άλλοι μιλάνε γι’ αυτοκτονία και άλλοι ότι κρύφτηκε στη Νότιο Αμερική…

Το σωματίδιο Majorana

Ο Majorana, εκτός των άλλων, εισήγαγε μια κυματική εξίσωση, την εξίσωση Majorana – παρόμοια με την εξίσωση Dirac – η λύση της οποίας οδηγεί στην ύπαρξη ουδέτερων σωματιδίων, με σπιν ½ που ταυτίζονται με τα αντισωματίδιά τους. Αποκαλούνται φερμιόνια Majorana.

Ακόμα και σήμερα, οι φυσικοί ερευνούν αν υπάρχουν νετρίνα που έχουν τις ιδιότητες του σωματιδίου Majorana, ενώ υπάρχουν υπερσυμμετρικές θεωρίες που απαιτούν την ύπαρξη φερμιονίων Majorana ως υπερσυμμετρικούς συντρόφους μποζονικών πεδίων με σπιν 0 ή 1.

Τον Απρίλιο του 2012 ερευνητές ανακοίνωσαν ότι κατέγραψαν μια ροή ηλεκτρονίων σε ένα εξαιρετικά λεπτό ημιαγώγιμο καλώδιο, που συμπεριφερόταν σαν φερμιόνια Majorana (δαβάστε σχετικά: ανακαλύφθηκαν φερμιόνια Majorana;).

Κάτι παρόμοιο ανακοίνωσαν προχτές ερευνητές του πανεπιστημίου Princeton στο περιοδικό Science με την εργασία τους «Observation of Majorana fermions in ferromagnetic atomic chains on a superconductor».

Σύμφωνα με την μελέτη αυτή, κατάφεραν να παρατηρήσουν το μόνο φερμιόνιο που συμπεριφέρεται και σαν ύλη και σαν αντιύλη, ένα επίτευγμα που θα μπορούσε να χρησιμεύσει την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών.

Για να εντοπίσουν το σωματίδιο Majorana οι ερευνητές του Princeton χρησιμοποίησαν ένα μικροσκόπιο ύψους δύο ορόφων, συλλαμβάνοντας την εικόνα του στην άκρη ενός πολύ λεπτού σύρματος, ακριβώς εκεί όπου προέβλεπε η θεωρία.

Οι φυσικοί του πανεπιστημίου Princeton (από αριστερά ο μεταπτυχιακός φοιτητής Ilya Drozdov, ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Sangjun Jeon, και οι καθηγητές B. Andrei Bernevig και Ali Yazdani) ποζάρουν μπροστά στο ισχυρότατο μικροσκόπιο σάρωσης με το οποίο «είδαν» το σωματίδιο Majorana

Σύμφωνα με τον Ali Yazdani: «αυτός είναι ο πιο άμεσος τρόπος για να εντοπίσει κανείς τα φερμιόνια Majorana, δεδομένου ότι αναμένεται να εμφανιστούν στην άκρη ορισμένων υλικών. Αν θέλετε να βρείτε αυτό το σωματίδιο μέσα σε ένα υλικό θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε ένα τέτοιο μικροσκόπιο».

Το πείραμα αποκάλυψε την ατομική δομή του σύρματος σιδήρου πάνω σε μια επιφάνεια μολύβδου. Το μεγεθυμένο τμήμα της εικόνας απεικονίζει την πιθανότητα του να περιέχεται στο σύρμα το φερμιόνιο Majorana. Το σωματίδιο εντοπίζεται στην άκρη του σύρματος όπως προβλέπουν οι θεωρητικοί υπολογισμοί

Εκτός από τις επιπτώσεις στη θεμελιώδη φυσική, αυτή η ανακάλυψη θα βοηθήσει σημαντικά στην εξέλιξη της κατασκευής κβαντικών υπολογιστών. Στους κβαντικούς υπολογιστές αντί για το bit που παίρνει δυο τιμές 0 και 1, χρησιμοποιείται το qubit που εκτός από τις τιμές των καταστάσεων 0 και 1 (π.χ. η κατάσταση ενός ηλεκτρονίου με σπιν πάνω παριστάνει το 0 και η κατάσταση με σπιν κάτω το 1), μπορεί να βρίσκεται και στην υπέρθεση αυτών των δυο καταστάσεων. Και ενώ από την μια μεριά αυτή η δυνατότητα δίνει τεράστιες υπολογιστικές δυνατότητες, από την άλλη μια κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης είναι πολύ εύκολο να καταρρεύσει εξαιτίας των αλληλεπιδράσεων με τα κοντινά υλικά.

Επειδή τα φερμιόνια Majorana είναι πολύ σταθερά και αλληλεπιδρούν ασθενώς με το περιβάλλον τους, σύμφωνα με τους επιστήμονες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως qubit, θέτοντας μια νέα βάση για την κβαντική πληροφορική.

Βίντεο: Πιο κοντά στους κβαντικούς υπολογιστές με φερμιόνια Majorana

Σύμφωνα με τον Yazdani, η παρατήρηση του φερμιονίου Majorana δεσμευμένου μέσα σε ένα υλικό είναι κάτι εντελώς διαφορετικό σε σχέση με τα σωματίδια που ανακαλύπτονται στους επιταχυντές, όπου σωματίδια συγκρούονται με πολύ μεγάλες ταχύτητες, παράγοντας καινούργια σωματίδια.

Το σωματίδιο Majorana μέσα στο υπεραγώγιμο υλικό εξαρτάται – ή αναδύεται – από τις συλλογικές ιδιότητες των ατόμων και των δυνάμεων που αναπτύσσονται μέσα στο υλικό.

Τέτοιου είδους «εν δυνάμει» σωματίδια επειδή προκύπτουν από τις συλλογικές ιδιότητες του υλικού, δεν μπορούν να υπάρξουν έξω αυτό.

Το βίντεο που ακολουθεί δείχνει πως οι ερευνητές τοποθετούν πρώτα άτομα σιδήρου σε μια επιφάνεια μολύβδου ώστε να δημιουργηθεί ένας λεπτός, ατομικών διαστάσεων, υπεραγωγός στη θερμοκρασία των -272^ο C. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν το μικροσκόπιό τους για να δημιουργήσουν ένα μαγνητικό πεδίο και να καθορίσουν το σήμα που δείχνει την παρουσία του φερμιονίου Majorana:

Πηγές: www.princeton.edu – Joao Magueijo, «Ο άνθρωπος νετρίνο», εκδόσεις Τραυλός, 2009

Κατηγορίες:ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ, ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

Ετικέτες: ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ, Μαγιοράνα, Majorana