마요라나 페르미온 (Majorana Fermion)

한 줄 정의: 자기 자신이 곧 반입자인, 즉 입자와 반입자가 구별되지 않는 특이한 페르미온.

쉽게 풀면

보통 전자에는 반드시 반대되는 반입자인 양전자가 존재합니다. 그런데 이탈리아 물리학자 마요라나는 이론적으로 자기 자신이 곧 자신의 반입자인 입자가 존재할 수 있다고 예측했습니다. 기본 입자로는 아직 확실히 발견되지 않았지만, 특정 초전도체의 가장자리에서는 이런 성질을 가진 준입자가 나타날 수 있는데, 이 준입자는 정보를 매우 안정적으로 저장할 수 있어 위상 양자컴퓨터의 유력한 후보로 주목받고 있습니다.

왜 중요한가

마요라나 페르미온은 위상 양자컴퓨팅의 핵심 후보 소재로 여겨지기 때문에 응집물질물리학과 양자정보과학 양쪽에서 큰 관심을 받습니다. 이 준입자가 지닌 비아벨 애니온 통계는 국소적 잡음에 강한 큐비트를 만드는 데 이론적으로 유리해, 대형 IT 기업과 연구기관이 실험적 구현에 막대한 자원을 투입하고 있습니다. 또한 입자물리학 관점에서는 뉴트리노가 마요라나 입자인지 여부가 표준모형을 넘어서는 물리를 확인하는 중요한 단서로 여겨집니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"나노와이어 끝단에서 관측된 제로 바이어스 피크는 마요라나 페르미온의 존재를 시사한다."

위상 초전도체나 양자컴퓨팅 하드웨어 연구에서 새로운 준입자 발견의 증거로 논의된다.

"본 연구는 마요라나 결합 에너지의 진동을 관측함으로써 준입자의 위상학적 기원을 추가로 뒷받침한다."

고체물리 실험 논문에서 준입자의 존재를 뒷받침하는 보조 증거를 제시할 때 쓰이는 표현이다.

"만약 뉴트리노가 마요라나 입자라면 무중성미자 이중 베타 붕괴가 관측되어야 한다."

입자물리학·핵물리학 논문에서 뉴트리노의 본질을 검증하는 실험 설계를 설명할 때 사용된다.

조금 더 깊게 보면

응집물질 실험에서는 흔히 제로 바이어스 전도도 피크(ZBCP)를 마요라나 준입자 존재의 간접 신호로 삼지만, 이는 다른 물리적 원인으로도 나타날 수 있어 단독으로는 결정적 증거가 되지 못합니다. 이 때문에 최근 연구들은 결합 에너지 진동, 비국소적 상관관계 측정 등 여러 신호를 함께 확인하려는 경향을 보입니다. 입자물리 쪽에서는 뉴트리노가 마요라나형인지 디랙형인지를 판별하는 무중성미자 이중 베타 붕괴 실험이 핵심 검증 수단으로 다뤄집니다.

주의할 점

응집물질에서 관측되는 것은 기본입자로서의 마요라나 페르미온이 아니라 그와 같은 통계적 성질을 가지는 준입자이며, 그 존재 확인은 여전히 활발한 논쟁 대상이다.