Spotting af spin af Majorana fermion under mikroskopet

Forskere ved Princeton University har opdaget en unik kvantegenskab af en undvigende partikel, der er kendt for at opføre sig samtidigt som stof og antimateriale. Partiklen, kendt som Majorana fermion, er værdsat af forskere for dets potentiale til at åbne dørene for nye kvanteberegningsmuligheder.

I undersøgelsen offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Videnskab , forskergruppen beskrev, hvordan de forbedrede en eksisterende billeddannelsesteknik, kaldet scanning tunneling mikroskopi, for at fange signaler fra Majorana -partiklen i begge ender af en atomisk tynd jerntråd strakt på overfladen af ​​en blykrystal. Deres metode involverede påvisning af en karakteristisk kvanteegenskab kendt som spin, som er blevet foreslået til transmission af kvanteinformation i kredsløb, der indeholder Majorana -partiklen.

"Majoranas spinegenskab adskiller dem fra andre typer kvasi-partikler, der dukker op i materialer, "sagde Ali Yazdani, Princetons klasse af 1909 professor i fysik. "Den eksperimentelle påvisning af denne ejendom giver en unik signatur af denne eksotiske partikel."

Fundet bygger på holdets opdagelse fra 2014, også udgivet i Videnskab , af Majorana fermion i en enkelt atom-bred kæde af jernatomer oven på et blyunderlag. I den undersøgelse, scanningstunnelmikroskopet blev brugt til at visualisere Majoranas for første gang, men gav ingen andre målinger af deres ejendomme.

"Vores mål har været at undersøge nogle af de specifikke kvanteegenskaber ved Majoranas. Sådanne eksperimenter giver ikke kun yderligere bekræftelse af deres eksistens i vores kæder, men åbn op for mulige måder at bruge dem på. "sagde Yazdani.

Først teoretiseret i slutningen af ​​1930'erne af den italienske fysiker Ettore Majorana, partiklen er fascinerende, fordi den fungerer som sin egen antipartikel. I de sidste par år, forskere har indset, at de kan konstruere endimensionale ledninger, såsom atomkæderne på den superledende overflade i den aktuelle undersøgelse, at få Majorana fermioner til at dukke op i faste stoffer. I disse ledninger, Majoranas forekommer som par i hver ende af kæderne, forudsat at kæderne er lange nok til at Majoranas holder sig langt nok fra hinanden til at de ikke tilintetgør hinanden. I et kvanteberegningssystem, information kan lagres samtidigt i begge ender af ledningen, giver en robusthed mod ydre forstyrrelser i de iboende skrøbelige kvantetilstande.

Tidligere eksperimentelle bestræbelser på at opdage Majoranas har brugt det faktum, at det både er en partikel og en antipartikel. Den signalerende signatur kaldes en nul-bias-top i en kvantetunnelmåling. Men undersøgelser har vist, at sådanne signaler også kan forekomme på grund af et par almindelige kvasipartikler, der kan dukke op i superledere. Professor i fysik Andrei Bernevig og hans team, der sammen med Yazdanis gruppe foreslog atomkædeplatformen, udviklet teorien, der viste, at spin-polariserede målinger foretaget ved hjælp af et scanningstunnelmikroskop kan skelne mellem tilstedeværelsen af ​​et par almindelige kvasi-partikler og en Majorana.

Typisk, scanning af tunnelmikroskopi (STM) indebærer at trække en fintippet elektrode hen over en struktur, i dette tilfælde kæden af ​​jernatomer, og detektere dets elektroniske egenskaber, hvorfra et billede kan konstrueres. For at udføre spin-følsomme målinger, forskerne opretter elektroder, der er magnetiseret i forskellige retninger. Disse "spin-polariserede" STM-målinger afslørede signaturer, der stemmer overens med de teoretiske beregninger fra Bernevig og hans team.

"Det viser sig at, i modsætning til i tilfælde af en konventionel kvasi-partikel, spin af Majorana kan ikke screenes af baggrunden. I denne forstand er det en lakmus -test for tilstedeværelsen af ​​Majorana -staten, "Sagde Bernevig.

Majoranas kvante -spin -egenskab kan også gøre dem mere nyttige til applikationer inden for kvanteinformation. For eksempel, ledninger med Majoranas i hver ende kan bruges til at overføre information mellem fjerntliggende kvantebits, der er afhængige af elektronernes spin. Forvikling af elektronernes og Majoranas spins kan være det næste trin i at udnytte deres egenskaber til overførsel af kvanteinformation.