Forskare vid Princeton University använde ett scanningstunnelmikroskop för att visa den atomära strukturen hos en järntråd i en atom bred på en blyyta. Den förstorade delen av bilden visar kvantsannolikheten för innehållet i tråden av en elusiv partikel kallad Majorana fermion. Det är viktigt att notera att bilden visar partiklar i trådens ände, vilket är exakt där de teoretiska beräkningarna förutspådde i många år.
Om du trodde att sökandet efter Higgs bosonen - en elusiv partikel som ger materiens massa - var episk, fundera sedan på de fysiker som försökte hitta ett sätt att upptäcka en annan subatomisk partikel som dolts sedan 1930-talet, då det första antagandet visade sig om det.
Men nu, tack vare användningen av 2 fantastiska stora mikroskop, har denna mycket underliga och potentiellt revolutionerande partikel upptäckts.
Föreställ dig Majorana fermion, en partikel som också är sin egen antipartikel, en kandidat för mörk materia, och en möjlig mediator av kvantdator.
Fermion Majorana är uppkallad efter den italienska fysikern Ettore Majorana, som formulerade en teori som beskriver denna unika partikel. År 1937 förutspådde Majorana att en stabil partikel kan existera i naturen, vilket är både materia och antimateriel. I vår vardag är det också fråga (som finns i överflöd i vårt universum) och antimatter (vilket är extremt sällsynt). Om materia och antimateria möts, förintas de, försvinner i en blixt av energi. En av de största mysterierna i modern fysik är hur universum blev mer angeläget än antimatter. Logik dikterar att materia och antimateria är delar av samma sak, som motsatta sidor av ett mynt, och borde ha skapats i samma takt. I detta fall skulle universum förstörts innan det kunde etablera sig. En viss process efter Big Bang visar dock att mer materia producerades än antimateriel, så det är viktigt att det som vunnit, vilket fyller universum som vi känner och älskar idag.
Majorana fermion är emellertid annorlunda i sina egenskaper och är också en antipartikel. Medan elektronen är materia, och positronen är den elektroniska partikeln i elektronen, är Majorana fermion både materia och antimateria. Det är denna materiella / anti-materialdualitet som har gjort denna lilla beast så svår att spåra under de senaste 8 åren. Men fysikerna gjorde, och för att uppnå uppgiften, tog det enormt uppfinningsrikedom och ett enormt stort mikroskop.
Teorin visar att Majorana fermion bör sträcka sig på kanten av andra material. Således skapade ett team av Princeton University en järntråd i en atom tjock på blyytan och gjorde en ökning i slutet av tråden med ett megamikroskop i laboratoriet med ultra-låga vibrationer vid Yadwin Hall i Princeton.
"Det här är det enklaste sättet att se Majorana fermion, som förväntas skapas på kanten av vissa material", säger en ledande fysiker Ali Yazdani från Princeton University, New Jersey, i ett pressmeddelande. "Om du vill hitta denna partikel inuti materialet måste du använda ett mikroskop som låter dig se var det verkligen är." Yazdanis forskning publicerades i tidskriften Science on Thursday (2 oktober). Sökningen efter fermoion Majorana skiljer sig signifikant från sökandet efter andra subatomära partiklar, vilka är mer upplysta i den breda pressen. Jakt på Higgs boson (och liknande partiklar) kräver de kraftigaste acceleratorerna på planeten för att generera den enorma energikollisionen som krävs för att simulera förhållandena strax efter Big Bang. Detta är det enda sättet att isolera den snabbt förfallna Higgs bosonen, och sedan studera produkterna av dess sönderfall.
I motsats härtill kan Majorana fermion endast detekteras i ett ämne genom dess effekt på atomerna och krafterna som omger det - så det krävs inga kraftfulla acceleratorer, men användningen av kraftfulla scanningstunnelmikroskop är nödvändig. Mycket finjustering av målmaterialet krävs också för att Majorana fermion ska isoleras och visas.
Denna strikta kontroll kräver extrema kylning av smala järntrådar för att säkerställa superledning. Superledningsförmåga uppnås när termiska fluktuationer i ett material reduceras i sådan utsträckning att elektroner kan passera genom detta material med nollmotstånd. Genom att minska målet till 272 grader Celsius - till en grad över absolut noll eller 1 Kelvin - kan idealiska förhållanden uppnås för bildandet av Majorana fermion.
"Detta visar att den här (Majorana) signalen existerar endast på kanten," sa Yazdani. "Detta är en nyckel signatur. Om du inte har det, kan den här signalen existera av andra skäl. " Tidigare experiment avlägsnade möjliga signaler från Majorana fermion i liknande installationer, men detta är första gången en viss partikelsignal har uppstått, efter att ha avlägsnat alla störningskällor, exakt på den plats där det förutspås vara. "Detta kan bara uppnås genom en experimentell inställning - enkelt och utan användning av exotiska material som kan störa," sa Yazdani.
"Det som är intressant är att det är väldigt enkelt: det är bly och järn," sa han.
Det har nu visat sig att det finns några intressanta möjligheter för flera områden av modern fysik, teknik och astrofysik.
Majorana fermion t ex interagerar svagt med vanlig materia, liksom spöklikt neutrino. Fysiker är inte säkra på huruvida neutrinos har en separat antipartikel, eller, som Majorana's fermoion, är dess egen antipartikel. Neutrinos finns i överflöd i universum, och astronomer påpekar ofta att neutrinor är en stor del av den mörka materien som tros fylla kosmos. Förmodligen är neutrinos samma som partiklar av Majorana och Fermions. Majorana är också kandidater för mörk materia.
Det finns också en potentiellt revolutionerande industriell tillämpning om fysiker kan koda saken med Majorana fermioner. För närvarande används elektroner i kvantkalkylering, vilket potentiellt skapar datorer som kan lösa tidigare oräkneliga system på ett ögonblick. Men elektroner är notoriskt svåra att kontrollera, och brukar bryta mot beräkningar efter att ha interagerat med andra material runt dem. Majorana fermion, som är extremt svagt interagerande med materialet, är dock förvånansvärt stabil på grund av materialets / antimaterialdualiteten. Av dessa skäl kan forskare använda denna partikel, tekniskt tillämpa den i material, kodning och eventuellt upptäcka fler och fler nya metoder för kvantdräkning.
Även om dess upptäckt inte skapar drama och stickning av relativistiska partiklar tillsammans i LHC-detektorernas vakuumkammare, kan den mer subtila upptäckten av Majorana utveckla en ny metod för mörk materia och göra en revolution i databehandling.
Och kanske var den 80-åriga väntan på öppningen värt det.
