Penemuan Zarah dan Anti-zarah Fermion Majorana

Oleh: Mohd Faudzi Umar

Calon Doktor Falsafah, Institut Penyelidikan Matematik, INSPEM Universiti Putra Malaysia

Baru-baru ini, dunia fizik zarah (eksperimen) telah digemparkan dengan penemuan zarah fermion Majorana yang mendapat liputan media, bahkan kata kunci di enjin carian Google, “Majorana fermion” pun memaparkan tentang penemuan ini.

Zarah fermion Majorana telah ditemui oleh sekumpulan saintis Universiti Stanford, Universiti California (Irvine, Los Angeles dan Davis), yang diketuai oleh Jing Xia. Makalah tersebut [1] termuat dalam jurnal, Science bertajuk, “Chiral Majorana fermion modes in m quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure”. Penemuan ini agak menakjubkan sehinggakan hampir semua media-media sains antarabangsa melaporkan hasil kajian ini, oleh itu Majalah Sains turut tidak ketinggalan dalam melaporkan penemuan terunggul ini. Laporan rasmi media Universiti Standford boleh dirujuk di sini: http://news.stanford.edu/2017/07/20/evidence-particle-antiparticle/

Apakah itu zarah fermion Majorana? Kenapakah begitu gah sekali liputan medianya, meskipun artikel tersebut baru berusia beberapa hari (20 Julai 2017).

Zarah fermion Majorana ialah tentang zarah fermion yang juga antizarah (fermion yang berkelakuan zarah dan antizarah secara serentak). Aneh bukan?
Seringkali ia merujuk kepada zarah neutron dan neutrino iaitu zarah yang tidak bercas [2] (terjemahan Inggeris, sila lihat [3]).

Teori ini dikemukan oleh Ettore Majorana bahawa wujudnya zarah dalam Model Lazim (Standard Model) yang juga merupakan antizarah. Berbeza pula dengan fermion Dirac, iaitu setiap zarah mempunyai pasangan anti zarahnya, jisim yang sama tapi berlainan casnya. Di mana apabila zarah dan anti zarah berlanggar, ia akan menghasilkan tenaga. Dikatakan pada awal kejadian, Teori Dentuman Besar meramalkan kewujudan pasangan zarah dan anti zarah. Dinamakan ‘angel particle’ sempena salah satu plot di dalam novel Dan Brown bertajuk, “Angel and Demons” ,iaitu, tentang sebiji bom terhasil berasaskan gabungan zarah dan antizarah, kata Prof Shoucheng Zhang salah seorang penyelidik bersama dalam penemuan ini [4].

 Penemuan ini mendapat liputan kerana ia mengesahkan sebuah teori yang hampir berusia 80 tahun, teori ini dikemukakan oleh Ettore Majorana pada tahun 1937 di mana artikelnya ditulis dalam bahasa Itali itu [1] agak bertentangan dengan ramalan Paul Dirac bahawa setiap zarah mempunyai antizarah yang sama jisim. Jenis fermion Majorana yang ditemui adalah fermion chiral yang bergerak sehala sepanjang laluan satu dimensi. Walaupun eksperimennya agak sukar dilakukan namun isyarat yang diperolehi cukup jelas sehinggakan ianya sukar dinafikan. Kajian-kajian lain turut dilakukan dalam beberapa eksperimen lain antaranya, EXO-200, Enriched Xenon Observatory.

Penemuan ini gah, kerana ia memberikan implikasi yang baik kepada teknologi semasa, terutamanya pembangunan komputer yang berupaya beroperasi ratusan juta kali lebih baik daripada komputer kita sekarang. Kita sedia maklum bahawa komputer kovensional hanya menyimpan data bit binari 1 dan 0, manakala komputer kuantum yang menggunakan qubit, iaitu menyimpan 0 dan 1 pada yang sama. Oleh itu fermion Majorana yang bersifat separa zarah subatomik (zarah dan antizarah), secara teorinya satu qubit boleh disimpan dalam dua fermion yang terpisah, ini mengurangkan peluang kedua-dua fermion itu terganggu dan boleh menghilangkan data. Secara tidak langsung ia memacu kepada komputer kuantum yang lebih stabil.

Dalam eksperimen tersebut mereka meletak filem nipis superkonduktor dan penebat topologi di dalam kebuk vakum bersuhu rendah, kemudian ia dikenakan arus melalui  antara kedua-duanya. Lapisan atas ialah superkonduktor, bawahnya pula adalah penebat topologi di mana ia mengalirkan arus sepanjang permukaan tetapi tidak melalui tengah-tengahnya. Diletakkan kedua-duanya (superkonduktor dan penebat topologi) bagi menghasilkan penebat topologi bersuperkonduktor, di mana elektron bergerak sepanjang batasan permukaan tanpa sebarang rintangan. Bagi memastikan elektron bergerak sepanjang sempadan permukaan, sedikit magnet dikenakan. Oleh itu apabila elektron tersebut bergerak malar, kemudian magnet didekatkan ke atas eksperimen tersebut dan elektron tadi akan memperlahan, berhenti dan bertukar arah laluannya. Ketika proses tersebut (henti dan beralih arah) berlaku, mereka dapati zarah yang lain dalam bentuk zarah kuasi bergerak separa daripada pergerakan elektron tersebut. Pasangan yang terhasil tersebut tidak selancar zarah asalnya iaitu elektron.

Zarah tersebut mirip fermion Majorana dalam bentuk zarah kuasi, di mana setiap pasangannya dibelokkan laluannya, ini membenarkan saintis mengukur aliran zarah kuasi secara individu. Meskipun ia adalah zarah kuasi (bukan zarah asas, tetapi eksiton seakan zarah) yang berkelakuan seperti fermion Majorana, apapun penemuan ini sangat mengujakan kerana mereka dapat menghasilkan zarah dengan cara buatan (artificial). Walau bagaimanapun, saintis lebih selesa memanggil penemuan ini sebaga bukti smoking gun (bukti yang boleh menyimpulkan kewujudan fermion Majorana), ini turut diakui oleh Prof Zhang. Penemuan ini tidak mengejutkan Frank Wilzek, Hadiah Nobel Fizik (2004), kerana padanya zarah ini secara teori telah lama diramalkan dan ia boleh dijumpai dengan bahan tersebut (superkonduktor) dalam eksperimen.

Nota// Penulis merupakan Pensyarah Fizik di UPSI, Tanjung Malim yang kini sedang menyambung pengajian di peringkat Doktor Falsafah di Institut Penyelidikan Matematik (INSPEM), Universiti Putra Malaysia

Rujukan

[1] Qing Lin He, Lei Pan, Alexander L. Stern, Edward C. Burks, Xiaoyu Che, Gen Yin, Jing Wang, Biao Lian, Quan Zhou, Eun Sang Choi, Koichi Murata, Xufeng Kou, Zhijie Chen, Tianxiao Nie, Qiming Shao, Yabin Fan, Shou-Cheng Zhang, Kai Liu, Jing Xia, Kang L. Wang. (2017). Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure. Science 357(6348): 294-299

[2] Majorana, Ettore (1937). “Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone”. Il Nuovo Cimento. 14(4): 171–84.

http://people.na.infn.it/~sesposit/MajoranaSite/documents/EMP9.pdf

[3] Maiani, Luciano (2006). “A symmetric theory of electrons and positrons”. dalam Bassani, G. F. Ettore Majorana Scientific Papers: On occasion of the centenary of his birth. pp. 201–33. Springer: Heidelberg.

http://physics.princeton.edu/~mcdonald/examples/EP/majorana_papers.pdf

[4] Shoucheng Zhang | Search and Discovery of the Majorana Fermion

https://www.youtube.com/watch?v=sbJSAOngiGI