Seneste nanotrådforsøg øger tilliden til Majorana -observation

I det seneste forsøg af sin art, forskere har fanget det hidtil mest overbevisende bevis for, at usædvanlige partikler lurer inde i en særlig form for superleder. Resultatet, som bekræfter teoretiske forudsigelser, der først blev fremsat for næsten ti år siden ved Joint Quantum Institute (JQI) og University of Maryland (UMD), vil blive offentliggjort i 5. april -udgaven af Natur .

De stuvede, kaldet Majorana quasiparticles, er forskellige fra almindeligt stof som elektroner eller kvarker - de ting, der udgør elementerne i det periodiske system. I modsætning til disse partikler, som så vidt fysikere ved ikke kan opdeles i mere basale stykker, Majorana quasiparticles stammer fra koordinerede mønstre af mange atomer og elektroner og vises kun under særlige forhold. De er udstyret med unikke funktioner, der kan tillade dem at danne rygraden i en type kvantecomputer, og forskere har jagtet dem i årevis.

Det seneste resultat er det mest pirrende endnu for Majorana -jægere, bekræfter mange teoretiske forudsigelser og lægger grunden til mere raffinerede eksperimenter i fremtiden. I det nye værk, forskere målte den elektriske strøm, der passerede gennem en ultratynd halvleder forbundet til en strimmel superledende aluminium-en opskrift, der omdanner hele kombinationen til en særlig form for superleder.

Eksperimenter af denne type udsætter nanotråden for en stærk magnet, som låser op for en ekstra måde for elektroner i tråden til at organisere sig ved lave temperaturer. Med dette yderligere arrangement forudsiges det, at ledningen er vært for en Majorana -kvasepartikel, og eksperimenter kan lede efter dens tilstedeværelse ved omhyggeligt at måle ledningens elektriske respons.

Det nye eksperiment blev udført af forskere fra QuTech ved det tekniske universitet i Delft i Holland og Microsoft Research, med prøver af hybridmaterialet fremstillet ved University of California, Santa Barbara og Eindhoven University of Technology i Holland. Eksperimenter sammenlignede deres resultater med teoretiske beregninger af JQI-stipendiat Sankar Das Sarma og JQI-kandidatstuderende Chun-Xiao Liu.

Den samme gruppe i Delft så antydninger af en Majorana i 2012, men den målte elektriske effekt var ikke så stor som teorien havde forudsagt. Nu er den fulde effekt blevet observeret, og det vedvarer, selvom eksperimenter jiggler med styrken af ​​magnetiske eller elektriske felter - en robusthed, der giver endnu stærkere bevis på, at eksperimentet har fanget en Majorana, som forudsagt i omhyggelige teoretiske simuleringer af Liu.

"Vi er kommet langt fra den teoretiske opskrift i 2010 for, hvordan man skaber Majorana-partikler i halvleder-superlederhybridsystemer, "siger Das Sarma, en medforfatter af avisen, der også er direktør for Condensed Matter Theory Center ved UMD. "Men der er stadig et stykke vej, før vi kan erklære total sejr i vores søgen efter disse mærkelige partikler."

Succesen kommer efter mange års forbedringer i den måde, forskere samler nanotråde på, hvilket fører til renere kontakt mellem halvlederwiren og aluminiumstrimlen. I samme tid, teoretikere har fået indsigt i de mulige eksperimentelle signaturer af Majoranas - arbejde, der var banebrydende af Das Sarma og flere samarbejdspartnere på UMD.

Teori møder eksperiment

Jakten på at finde Majorana -kvasipartikler i tynde kvantetråde begyndte i 2001, ansporet af Alexei Kitaev, derefter en fysiker derefter på Microsoft Research. Kitaev, der nu er på California Institute of Technology i Pasadena, udarbejdet et relativt enkelt, men urealistisk system, der teoretisk set kunne rumme en Majorana. Men denne imaginære ledning krævede en bestemt form for superledning, der ikke var tilgængelig på hylden fra naturen, og andre begyndte snart at lede efter måder at efterligne Kitaevs forbrug ved at blande og matche tilgængelige materialer.

En udfordring var at finde ud af, hvordan man får superledere, som normalt driver deres virksomhed med et lige antal elektroner - to, fire, seks, osv. - for også at tillade et ulige antal elektroner, en situation, der normalt er ustabil og kræver ekstra energi at vedligeholde. Det ulige tal er nødvendigt, fordi Majorana -kvasipartikler er uforskammede ulige bolde:De vises kun i den koordinerede adfærd af et ulige antal elektroner.

I 2010, næsten et årti efter Kitaevs originale papir, Das Sarma, JQI -stipendiat Jay Deep Sau og JQI postdoktoralforsker Roman Lutchyn, sammen med en anden gruppe forskere, ramte en metode til at skabe disse særlige superledere, og det har drevet den eksperimentelle søgning lige siden. De foreslog at kombinere en bestemt form for halvleder med en almindelig superleder og måle strømmen gennem det hele. De forudsagde, at kombinationen af ​​de to materialer, sammen med et stærkt magnetfelt, ville låse Majorana -arrangementet op og give Kitaevs specielle materiale.

De forudsagde også, at en Majorana kunne afsløre sig selv i den måde, strømmen strømmer gennem sådan en nanotråd. Hvis du slutter en almindelig halvleder til en metaltråd og et batteri, elektroner har normalt en vis chance for at hoppe af ledningen på halvlederen og en vis chance for at blive afvist - detaljerne afhænger af elektronerne og materialets sammensætning. Men hvis du i stedet bruger en af ​​Kitaevs nanotråde, sker der noget helt andet. Elektronen bliver altid perfekt reflekteret tilbage i ledningen, men det er ikke længere en elektron. Det bliver det, forskere kalder et hul - dybest set en plet i metallet, der mangler en elektron - og den bærer en positiv ladning tilbage i den modsatte retning.

Fysik kræver, at strømmen på tværs af grænsefladen bevares, hvilket betyder, at to elektroner skal ende i superlederen for at balancere den positive ladning på vej i den anden retning. Det mærkelige er, at denne proces, som fysikere kalder perfekt Andreev -refleksion, sker, selvom elektroner i metallet ikke modtager noget skub mod grænsen - det vil sige selv når de ikke er tilsluttet et slags batteri. Dette hænger sammen med, at en Majorana er sin egen antipartikel, hvilket betyder, at det ikke koster nogen energi at oprette et par Majoranas i nanotråden. Majorana -arrangementet giver de to elektroner ekstra plads til at manøvrere og giver dem mulighed for at krydse nanotråden som et kvantiseret par - det vil sige præcis to ad gangen.

"Det er eksistensen af ​​Majoranas, der giver anledning til denne kvantiserede differentielle konduktans, "siger Liu, der kørte numeriske simuleringer for at forudsige resultaterne af eksperimenterne på UMD's Deepthought2 supercomputer -klynge. "Og en sådan kvantisering bør endda være robust over for små ændringer i eksperimentelle parametre, som det virkelige eksperiment viser. "

Forskere omtaler denne eksperimentstil som tunnelspektroskopi, fordi elektroner tager en kvantevej gennem nanotråden til den anden side. Det har været fokus for de seneste bestræbelser på at fange Majoranas, men der er andre tests, der mere direkte kunne afsløre partiklernes eksotiske egenskaber - tests, der fuldt ud ville bekræfte, at Majoranas virkelig er der.

"Dette eksperiment er et stort skridt fremad i vores søgen efter disse eksotiske og undvigende Majorana -partikler, viser de store fremskridt, der er gjort i materialeforbedringen i løbet af de sidste fem år, "Siger Das Sarma." Jeg er overbevist om, at disse mærkelige partikler findes i disse nanotråde, men kun en ikke-lokal måling, der fastslår den underliggende fysik, kan gøre beviserne endelige. "