Det var en häpnadsväckande upptäckt. År 2018 hävdade forskare i Japan att de hade hittat konkreta bevis för en svårfångad partikel, ett Majorana-fermion, i en kvantspinnvätska kallad ruteniumtriklorid.
Majorana-fermioner är mycket eftertraktade av forskare inom kvantmaterial, eftersom de, när ett par lokaliseras eller fångas in, kan koda information på ett säkert sätt och bilda en stabil kvantbit – byggstenen i kvantdatorer.
Vissa forskare hyllade upptäckten och använde den för att inleda egna studier, medan andra ansåg att genombrottet – som gjordes genom att mäta det som kallas den termiska Hall-effekten – i själva verket var en illusion orsakad av defekter i materialprovet.
Forskare vid Cornell har nu gett sig in i debatten och deras resultat, publicerade i Nature, visar att båda lägren hade fel. Genom att mäta ljudvågornas rörelse istället för värmeflödet upptäckte teamet att den termiska Hall-effekten orsakades av roterande gittervibrationer som kallas kirala fononer.
”Det är inte så att detta är det magiska materialet med Majorana-fermioner som kommer att bygga en kvantdator”, sa Brad Ramshaw, docent i fysik vid College of Arts and Sciences, som ledde Cornell-teamet. ”Men det handlar inte heller om någon slags ’fancy smuts’, där proverna har föroreningar som reflekterar värmen åt ett håll istället för ett annat. Det är en ny, inneboende effekt som ingen någonsin sett tidigare.”
Varför den ursprungliga påståendet var chockerande
Majorana-fermioner är ovanliga eftersom de är sina egna antipartiklar. Även om de kanske aldrig kan produceras i en partikelaccelerator, kan de uppstå genom komplexa växelverkan mellan elektroner i vissa kvantmaterial. En sådan kandidat är ruteniumtriklorid, som är anmärkningsvärt eftersom det är en isolator och därför inte borde ha en termisk Hall-effekt. I det fenomenet appliceras ett magnetfält på ett material som transporterar ett värmeflöde och värmeflödet böjs – ett beteende som man trodde var omöjligt för en isolator.
”Elektroner är laddade, och därför känner de en kraft från fältet när de rör sig, och de vet om den kraften trycker dem åt vänster eller åt höger. Värme som flödar genom en isolator transporteras av vibrationer i gitteret, och gitteret känner inte till fältet och vet därför inte vad som är vänster och höger”, sa Ramshaw. ”Att hitta en termisk Hall-effekt i ruteniumtriklorid var överraskande. Det var ännu mer överraskande att den var kvantiserad, vilket tyder på att Majorana-fermioner transporterade värmen.”
Det var ett stort påstående, enligt Ramshaw, men data verkade stödja det och kvantmaterialforskarna var oerhört uppspelta.
”Sedan uppstod problem med reproducerbarheten och frågor om vem som hade de bättre proverna – alla de vanliga diskussionerna”, sa han. ”Men i slutändan fick andra inte samma svar.”
Att utforma ett mer avslöjande experiment
Den alternativa förklaringen, att magnetiska föroreningar avleder värmen, var lika svår att bevisa.
”Problemet är att det i slutändan bara handlar om att leda värme genom något och mäta en temperaturförändring”, sa Ramshaw. ”Man vet inte vad som händer på mikroskopisk nivå. Värmen går åt ett håll, inte åt ett annat, men man vet inte varför eller hur. Så vi ville utforma ett experiment som kunde visa hur.”
Ramshaw och artikelns huvudförfattare, doktoranden Avi Shragai, utformade en metod för att förstå varför värmeflödet böjs: genom att applicera ett magnetfält och följa rörelsen hos fononer, en typ av gittervibration som transporterar värme när den färdas genom materialet som en ljudvåg – i princip ljudets motsvarighet till fotoner.
Vridande ljudvågor och Hall-viskositet
Med hjälp av ultraljudsmätningar som spårade hur fononerna rörde sig i ett magnetfält fann forskarna att fononerna hade vridna banor, som en korkskruv. Denna så kallade akustiska Faraday-effekt visade att provet hade Hall-viskositet – även kallad gravitations-Hall-viskositet – som roterar fononernas polarisationer och även avleder deras värmeströmmar.
”Analogin med gravitationen är inte så långt ifrån”, sa Ramshaw. ”Du har förmodligen sett de där bilderna av rymd och tid som kröks av gravitationen från en massiv stjärna. Hall-viskositet lägger till en ’vridning’ till den krökningen. Detta verkar inte hända ute i universum, men det kan uppstå inuti ett kvantmaterial som ruteniumklorid.”
Det var denna Hall-viskositet som gav upphov till den termiska Hall-effekten i ruteniumtriklorid.
”När vi skickar ljud i en riktning in i gitteret rör det sig som en spiral och ljudvågorna roterar faktiskt sin polarisation”, sa Ramshaw. ”Ljudvågor kopplas inte naivt till magnetfält, men det visar sig att det finns en mycket speciell egenskap hos detta material, kallad spinn-bana-koppling, som låter ljudvågorna skilja på vänster och höger. Det är i princip vad vi visade.”
Öppnar dörrar till framtida upptäckter
Forskare har tidigare teoretiserat att Hall-viskositet skulle kunna användas för att mäta nya och svårfångade tillstånd av materia, enligt Ramshaw, men detta är första gången det har demonstrerats.
”Denna teknik kan nu användas för att göra nya upptäckter”, sade han. ”Jag menar, i grund och botten har vi här ett mycket detaljerat nollresultat på någon annans djärva påstående. Framöver kan vi använda denna teknik för att göra våra egna djärva påståenden.”
Publikationsuppgifter
Avi Shragai et al, Phonon Hall-viskositet och den inneboende termiska Hall-effekten hos α-RuCl3, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10420-y
