Forskere tager det første kig ind i øjnene på majoranas

Majorana-fermioner er partikler, der potentielt kan bruges som informationsenheder til en kvantecomputer. Et eksperiment udført af fysikere ved Swiss Nanoscience Institute og University of Basel's Department of Physics har bekræftet deres teori om, at Majorana-fermioner kan genereres og måles på en superleder for enden af ​​ledninger lavet af enkelte jernatomer. Forskerne lykkedes også med at observere Majoranas bølgeegenskaber og, derfor, i at gøre det indre af en Majorana synlig for første gang. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet npj Kvanteinformation .

For omkring 75 år siden, Den italienske fysiker Ettore Majorana havde en hypotese om eksistensen af ​​eksotiske partikler, der er deres egne antipartikler. Siden da, interesse for disse partikler, kendt som Majorana fermioner, er vokset enormt, da de kunne spille en rolle i at skabe en kvantecomputer. Majoranas er allerede blevet beskrevet meget godt i teorien. Imidlertid, at undersøge dem og få eksperimentelt bevis er svært, fordi de skal forekomme i par, men er så normalt bundet til at danne en normal elektron. Geniale kombinationer og arrangementer af forskellige materialer er derfor nødvendige for at generere to Majoranas og holde dem adskilt.

Samarbejde mellem teori og praksis

Gruppen ledet af professor Ernst Meyer har nu brugt forudsigelser og beregninger af teoretiske fysikere professor Jelena Klinovaja og professor Daniel Loss (fra Swiss Nanoscience Institute og University of Basel's Department of Physics) til eksperimentelt at måle tilstande, der svarer til Majoranas. På en superleder, forskerne fordampede enkelte jernatomer med spin, der på grund af rækkestrukturen af ​​blyatomerne, arrangere sig selv i en lille ledning bestående af en række af enkelte atomer. Ledningerne nåede en forbløffende længde på op til 70 nanometer.

Enkelte Majoranas på enderne

Forskerne undersøgte disse mono-atomare kæder ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi og, for første gang, også med et atomkraftmikroskop. Ved hjælp af billeder og mål, de fandt klare indikationer på eksistensen af ​​enkelte Majorana-fermioner på enderne af ledningerne under visse forhold og fra en bestemt ledningslængde.

På trods af afstanden mellem dem, de to Majoranas på enderne af ledningerne er stadig forbundet. Sammen, de danner en ny tilstand, der strækker sig over hele ledningen, der enten kan være optaget ("1") eller ikke optaget ("0") af en elektron. Denne binære egenskab kan så tjene som grundlag for en kvantebit (Qubit) og betyder, at Majoranas, som også er meget robuste over for en række miljøpåvirkninger, er lovende kandidater til at skabe en fremtidig kvantecomputer.

Forudsagt bølgefunktion målt

Forskerne fra Basel har ikke kun vist, at enkelte Majoranas kan genereres og måles i enderne af en jerntråd, de udførte også det første eksperiment for at vise, at Majoranas er udvidede kvanteobjekter med en indre struktur, som forudsagt af deres teorikolleger. Over et område på flere nanometer, målingerne viste den forventede bølgefunktion med karakteristiske svingninger og dobbelte henfaldslængder, som nu er blevet synliggjort for første gang.