Az elemi részecskék egyik legalapvetőbb tulajdonsága az úgynevezett spin, amit nem könnyű szemléletesen megközelíteni. Definíció szerint a spin a részecskék saját, belső impulzusmomentumával áll összefüggésben.
A klasszikus fizika értelmében
az impulzusmomentum egy test forgási mozgásállapotát jellemző mennyiség,
azonban egy részecske esetében ez a kép nehezen értelmezhető, hiszen egy pontszerű részecske, amely ráadásul hullámként is viselkedhet, nem éppen egy kiterjedt, forgó objektumnak tűnik.
Pontosabb megközelítésben egy részecske spinje a kvantummechanikában a részecskét leíró hullámfüggvény egyes tulajdonságait jellemző mennyiség.
Az egész spinű részecskéket nevezzük bozonoknak, míg a feles spinű részecskéket fermionoknak.
A két részecskecsalád között éles a válaszvonal, számos szempontból teljesen eltérően viselkednek, és más törvényszerűségeket követnek.
A bozonok közé tartozik például a fény részecskéje, a foton is. A fermionok közé soroljuk például az elektronokat, a nukleonokat (a neutront és a protont), de a leptonok és a kvarkok is ide tartoznak.
Az úgynevezett Majorana-fermionok fontosságának megértéséhez egészen a kvantummechanika kezdetéig, 1928-ig kell visszanyúlnunk, amikor Paul Dirac megalkotta a róla elnevezett egyenletet, amelyben egyértelműen megjósolta az antianyag létezését.
Az antianyag nagyon hasonló a „normális” anyaghoz,
azonban számos tulajdonságában eltérő viselkedést mutat (például egy adott részecske antirészecskéje ellentétes töltéssel rendelkezik).
A fizika Standard Modellje számos alapvető fermiont ír le, amelyek antirészecskéit Dirac egyenlete előre megjósolta.
Egy részecske-antirészecske páros fontos tulajdonsága, hogy találkozásukkor megsemmisítik egymást (annihiláció),
miközben energia szabadul fel a részecskepáros nyugalmi tömegének megfelelően.
1937-ben Ettore Majorana olasz fizikus kicsit átvariálta Dirac egyenletét, amelyből olyan fermionok következtek, amelyek önmaguk antirészecskéi egyben, vagyis ahol a részecske és az antirészecskéje azonos önmagával.
Ezek a Majorana-fermionok,
amelyeket a Majorana-egyenlet ír le.
A Majorana-fermionok semleges elektromos töltéssel és feles spinnel kell hogy rendelkezzenek.
A Standard Modell összes elemi fermionja rendelkezik elektromos töltéssel, kivéve a neutrínókat,
így csupán a háromféle neutrínó és ezek antirészecskéi lehetnek jelöltek Majorana-fermionra, de az sem kizárt, hogy a keresett titokzatos sötét anyag is Majorana-fermiomokból épül fel. Azonban hosszú ideig nem sikerült egyértelmű bizonyítékot találni a természetben előforduló ilyen jellegű fermionok létezésére.
Mivel a Majorana-fermion egyben önmaga antirészecskéje is, így lényegesen jobb a stabilitása a többi fermion részecske-antirészecske párokhoz viszonyítva.
A kvantumszámítógépek esetében az elektronok által hordozott információ összetettebb, mint a hagyományos társaiknál.
Ez annak köszönhető, hogy nem csupán a logikai nullát és egyes számot képesek tárolni, hanem ezeknek az alapinformációknak egyfajta közös keverékét, közös kvantumállapotát is.
Ezt a különleges állapotot hívjuk kvantum-összefonódásnak, amely korlátlan számú kombinációs lehetőséget tartalmaz,
és így kitágítja a számítógép képességeit,
számítási kapacitásait olyan feladatok elvégzését is lehetővé téve, amelyekre a hagyományos számítógépek képtelenek lennének. A legnagyobb technológiai nehézség azonban az információ megőrzése, mivel az információt hordozó részecske és a környező anyag kölcsönhatásaiban az információ nagyon könnyen elveszhet.
Itt lép be a Majorana-fermionok szerepe, mivel ezek semleges elektromos töltésűek, lényegesen stabilabbak egyéb fermion társaiknál,
és ezáltal a kvantuminformációt is stabilabban őrizhetik meg.
Ezért lehetnek a jövő kvantumszámítógépeiben az információhordozó részecskék kiváló jelöltjei.
A Majorana-fermionok megfigyelése más természetű kísérleteket követel, mint például a Higgs-bozon felfedezése.
Az utóbbihoz nagy energiájú részecskegyorsítóban történő ütközések eredményeit vizsgáljuk, azonban a Majorana-fermion nyomainak kereséséhez
speciálisan összeállított anyagok kísérletileg meghatározható tulajdonságait kell vizsgálnunk,
hogy az adott anyagban jelen lévő részecskére következtethessünk.
2001-ben Alexej Kitajev elméletileg megjósolta, hogy megfelelő körülmények között Majorana-fermionok keletkezésére kell számítani a szupravezetőkben. (A szupravezetés során bizonyos anyagok extrém alacsony hőmérsékleten elvesztik elektromos ellenálló képességüket.) 2012-ben a Delft Egyetemen egy kutatócsoport szupravezetést hozott létre félvezetőben, majd feltételezésük szerint a Majorana-fermionokra utaló jeleket detektáltak.
A további kísérletekben is hasonló eredményekre jutottak, ahol - megfelelő körülmények között – ugyancsak a Majorana-fermionra utaló nyomokat találtak.
A Cambridge-i Egyetem kutatói az eddigi eredményeknél is továbbjutottak, és a Majorana-fermionok létezésének egyértelmű jeleire bukkantak, összhangban a Kitajev által megjósoltakkal.
Lényegében az anyag egy újfajta kvantumállapotát sikerült beazonosítaniuk, az úgynevezett kvantum spin folyadékot.
A kvantum spin folyadék állapot meghatározott mágneses anyagokban rejtőzik, az egyes különálló spinek egyfajta összefonódásából, kölcsönhatásából jön létre. E különleges állapot lehet az első komoly lépés a kvantumszámítógépek megalkotása felé vezető úton. Egy tipikus mágneses anyagban az elektronok kis, önálló mágnesként viselkednek.
Ha az anyagot eléggé lehűtjük, akkor az egyes kis mágnesek egymást azonos irányba rendezik. A spin folyadék esetében azonban még abszolút nulla fokon sem jön létre ilyen állapot, mivel a kvantumfluktuációk teljesen rendezetlenné teszik a képet.
Egyáltalán nem egyértelmű, még a kutatók számára sem, hogy vajon mit kell keresnünk, ha egy ilyen kvantum spin folyadékot szeretnénk megvizsgálni? A Cambridge-i Egyetem kutatói semleges töltésű neutronok szóródási mintázatát vizsgálták ruténium-kloridban (RuCl3).
Noha egy hagyományos mágneses anyag által produkált szórásminta jól ismert, azonban egészen más mintázat várható a Majorana-fermionoktól egy kvantum spin folyadékban.
Az elméleti várakozások és a kísérleti eredmények jól egyeztek a neutron-szóráskísérletek során,
így sikerült egyértelmű kísérleti bizonyítékokat találni a Majorana-fermionok és a kvantum spin állapot létezésére a ruténium-kloridban. A forradalmi jelentőségű felfedezés új lehetőségeket nyithat meg a kvantumszámítógépek kutatása terén, és a fundamentális részecskefizikában is.
(A szerző asztrofizikus, az MTA kutatója)