Sætter et nyt spin på Majorana fermioner

Kombinationen af ​​forskellige faser af vand - fast is, flydende vand, og vanddamp - ville kræve en vis indsats for at opnå eksperimentelt. For eksempel, hvis du ville placere is ved siden af ​​damp, du skulle kontinuerligt afkøle vandet for at opretholde den faste fase, mens du opvarmede det for at opretholde gasfasen.

For kondenserede fysikere, denne evne til at skabe forskellige betingelser i det samme system er ønskelig, fordi interessante fænomener og egenskaber ofte dukker op ved grænsefladerne mellem to faser. Af aktuel interesse er de betingelser, under hvilke Majorana fermioner kan forekomme nær disse grænser.

Majorana fermioner er partikelignende excitationer kaldet kvasipartikler, der opstår som følge af fraktionering (opdeling) af individuelle elektroner i to halvdele. Med andre ord, en elektron bliver et sammenfiltret (sammenkædet) par af to Majorana quasiparticles, med forbindelsen vedvarende uanset afstanden mellem dem. Forskere håber at bruge Majorana fermioner, der er fysisk adskilt i et materiale til pålideligt at gemme oplysninger i form af qubits, byggestenene i kvantecomputere. Majoranas eksotiske egenskaber - herunder deres høje ufølsomhed over for elektromagnetiske felter og anden miljømæssig "støj" - gør dem til ideelle kandidater til at transportere information over lange afstande uden tab.

Imidlertid, til dato, Majorana fermioner er kun blevet realiseret i materialer under ekstreme forhold, herunder ved frigide temperaturer tæt på absolut nul (-459 grader Fahrenheit) og under høje magnetfelter. Og selvom de er "topologisk" beskyttet mod lokale atomurenheder, sygdom, og defekter, der er til stede i alle materialer (dvs. deres rumlige egenskaber forbliver de samme, selvom materialet er bøjet, snoet, strakt, eller på anden måde forvrænget), de overlever ikke under stærke forstyrrelser. Ud over, temperaturintervallet, de kan arbejde over, er meget snævert. Af disse grunde, Majorana fermioner er endnu ikke klar til praktisk teknologisk anvendelse.

Nu, et team af fysikere ledet af det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory og inklusive samarbejdspartnere fra Kina, Tyskland, og Holland har foreslået en ny teoretisk metode til fremstilling af mere robuste Majorana fermioner. Ifølge deres beregninger, som beskrevet i et papir, der blev offentliggjort den 15. januar i Fysisk gennemgangsbreve , disse Majoranas dukker op ved højere temperaturer (af mange størrelsesordener) og er stort set upåvirkede af uorden og støj. Selvom de ikke er topologisk beskyttet, de kan vedvare, hvis forstyrrelserne ændrer sig langsomt fra et punkt til et andet i rummet.

"Vores numeriske og analytiske beregninger viser, at Majorana fermioner eksisterer i grænserne for magnetiske materialer med forskellige magnetiske faser, eller retninger af elektronspins, placeret ved siden af ​​hinanden, "sagde medforfatter Alexei Tsvelik, seniorforsker og leder af Condensed Matter Theory Group i Brookhaven Labs afdeling for kondenseret stoffysik og materialevidenskab (CMPMS). "Vi har også bestemt antallet af Majorana fermioner, du skal forvente at få, hvis du kombinerer bestemte magnetiske faser."

Til deres teoretiske undersøgelse, forskerne fokuserede på magnetiske materialer kaldet spin -stiger, som er krystaller dannet af atomer med en tredimensionel (3-D) struktur opdelt i par af kæder, der ligner stiger. Selvom forskerne har studeret egenskaberne ved spin -stige systemer i mange år og forventet, at de ville producere Majorana fermioner, de vidste ikke hvor mange. For at udføre deres beregninger, de anvendte den matematiske ramme for kvantefeltteori til beskrivelse af elementarpartiklernes grundfysik, og en numerisk metode (tæthedsmatrix-renormaliseringsgruppe) til simulering af kvantesystemer, hvis elektroner opfører sig stærkt korreleret.

"Vi blev overraskede over at erfare, at vi for visse konfigurationer af magnetiske faser kan generere mere end en Majorana fermion ved hver grænse, "sagde medforfatter og CMPMS-afdelingsformand Robert Konik.

For at Majorana fermioner er praktisk anvendelige i kvanteberegning, de skal genereres i stort antal. Computereksperter mener, at den mindste tærskel, hvormed kvantecomputere vil være i stand til at løse problemer, som klassiske computere ikke kan, er 100 qubits. Majorana fermionerne skal også være bevægelige på en sådan måde, at de kan blive viklet ind.

Teamet planlægger at følge op på deres teoretiske undersøgelse med eksperimenter ved hjælp af manipulerede systemer såsom kvantepunkter (nanosiserede halvledende partikler) eller fangede (begrænsede) ioner. Sammenlignet med egenskaberne af rigtige materialer, de af konstruerede kan lettere indstilles og manipuleres for at introducere de forskellige fasegrænser, hvor Majorana fermioner kan dukke op.

"Hvad den næste generation af kvantecomputere vil blive lavet af, er uklart lige nu, "sagde Konik." Vi forsøger at finde bedre alternativer til lavtemperatur-superledere i den nuværende generation, ligner hvordan silicium erstattede germanium i transistorer. Vi er i så tidlige stadier, at vi er nødt til at undersøge alle tilgængelige muligheder. "