Částice, která je svojí vlastní antičásticí

8. říjen 2014

Magazín Leonardo

Skenovací tunelový mikroskop (STM - scanning tunneling microscope)|foto: Princeton University

Američtí fyzikové pravděpodobně objevili stopy exotické kvazičástice z kategorie tzv. Majoranových fermionů, což jsou obecně částice, které jsou zároveň svými vlastními antičásticem. Tuto zvláštní kategorii elementárních částic teoreticky předpověděl italský fyzik Ettore Majorana již v roce 1937.

Stopy po zástupcích kvazičástic z kategorie Majoranových fermionů byly totiž objeveny v laboratoři na univerzitě v Princetonu, a to pomocí metod spektroskopie o vysokém rozlišení na skenovacím tunelovém mikroskopu (STM). Měření probíhala v nízkoteplotním olověném supravodiči, pokrytém řetízky atomů železa, které měly šířku o rozměru pouhého jednoho atomu. Právě v tomto prostředí, na koncích železného monoatomárního řetízku za teploty pouhého jednoho Kelvinu nad absolutní nulou, se objevily specifické vázané kvazičásticové stavy, které svědčí o přítomnosti kvazičástice typu Majoranova fermionu.

Fermiony jsou obecně částice s poločíselným spinem, které tvoří strukturovanou látku ve vesmíru, na rozdíl od tzv. bosonů, což jsou částice s celočíselným spinem, které jsou zprostředkovateli sil zejména mezi fermiony a říká se jim proto také částice polí. Kvazičástice jsou energetické kolektivní excitace v prostředí pevných látek, které jsou řadou svých vlastností analogické skutečným částicím, nejsou to však elementární částice.

Podle teoretických představ jsou sice některé elektricky neutrální částice zároveň svými vlastními antičásticemi, zatím jsme však znali takové částice spíše jen z kategorie bosonů. Mezi nejznámější případy tohoto typu patří fotony a hypotetické gravitony, což jsou obojí zástupci bosonů. Stejnou vlastností by se však teoreticky měly vyznačovat i některé tzv. slabě interagující masivní částice (WIMPs), které zřejmě patří do kategorie (fermionové) temné hmoty, například neutralina. Fermiony, které jsou svojí vlastní antičásticí, předpověděl italský fyzik Ettore Majorana již v roce 1937 a jsou proto podle něj obecně zvány Majoranovy fermiony, na rozdíl od tzv. Diracových fermionů, kterých je většina a jejichž antičástice není totožná s původní částicí (u neutrin současná fyzika zatím s určitostí neví, ke kterému z těchto dvou druhů fermionů patří).

Objevení Majoranových fermionů - měření probíhala v nízkoteplotním olověném supravodiči, pokrytém řetízky atomů železa|foto: Yazdani Lab, Princeton University

Kvazičásticové Majoranovy fermiony mohou podle některých fyziků najít i praktické využití. Mohly by díky své mimořádné stabilitě tvořit tzv. qubity (kvantové bity) uvnitř kvantových počítačů. Qubit je v zásadě kvantovou analogií konvenčních jednotek informací, tedy bitů, které používáme každý den v rámci našich konvenčních, tj. nekvantových počítačů.