W centrum zainteresowania znalazły się tzw. fermiony Majorany, będące stanami kwantowymi występującymi na powierzchni materiału. Ich istnienie stanowi pokłosie niskich temperatur, w których elektrony zaczynają zachowywać się w niespotykany zwykle sposób, Łączą się w pary bądź większe grupy i poruszają się tak, jakby wciąż były pojedynczymi obiektami.
Czytaj też: Rewolucja w technologii kwantowej! Fizycy walczyli z tą zagadką od lat
Generowane w takich okolicznościach nadprzewodnictwo wzbudza wśród naukowców masę emocji, ponieważ mogłoby zapewnić szereg praktycznych zastosowań. Wyobraźmy sobie, jak rewolucyjne byłoby ono w kontekście transportu energii elektrycznej, która mogłaby być przenoszona bez jakichkolwiek strat.
Jednym z niedawno odkrytych rodzajów są nadprzewodniki topologiczne. O ile zwykle układy znane jako pary Coopera powstają w wyniku oddziaływań między elektronami i drganiami atomowymi, co prowadzi do powstawania symetrycznych struktur, tak w nadprzewodnikach topologicznych sprawy mają się zupełnie inaczej. Występujące w nich symetrie są znacznie bardziej złożone.
Fizycy zajmujący się specjalnym rodzajem nadprzewodników przeprowadzili badania poświęcone tzw. fermionom Majorany
W ostateczności prowadzi to do pojawiania się wspomnianych fermionów Majorany. Ich istnienie przewidywał Ettore Majorana w 1937 roku, a po latach wiemy między innymi, że para takich fermionów pojawia się na powierzchniach topologicznych nadprzewodników o symetrii odwrócenia czasu. Takowe zachowywałyby się identycznie nawet w razie odwrócenia czasu, a ich odpowiedź elektromagnetyczną zmienia się w zależności od kierunku.
Może się jednak zdarzyć, że pary Coopera złamią symetrię odwrócenia czasu, co doprowadzi do sytuacji, w której fermiony Majorany przestaną tworzyć pary. Jest to możliwe w odniesieniu do wąskiego grona materiałów. Takowe zalicza się do topologicznych nadprzewodników łamiących symetrię odwrócenia czasu. W ich przypadku, jak wyjaśniają autorzy nowych badań, pojedynczy fermion Majorany pojawia się na granicy i jest elektrycznie obojętny.
Czytaj też: Fizycy odkryli nowy wymiar światła. Jego powiązanie z czasem jest zadziwiające
W konsekwencji nie dochodzi do interakcji z polami, co pozwala zrozumieć, dlaczego fizycy mieli dotychczas tak ograniczone możliwości w zakresie badania fermionów Majorany. Japońscy badacze postanowili rozszerzyć koncepcję odpowiedzi wielobiegunowych Majorany na łamiące symetrię odwrócenia czasu topologiczne nadprzewodniki, dzięki czemu zidentyfikowali podstawowe właściwości elektromagnetyczne fermionów Majorany w nadprzewodnikach topologicznych. Artykuł w tej sprawie jest dostępny w Physical Review B.