28 år gammel og tættere end nogensinde på at løse mysteriet om Majorana -partiklerne

Gazibegović, Ph.d. kandidat i gruppen af ​​prof. Erik Bakkers på Institut for Anvendt Fysik, udviklet en enhed lavet af ultratynde netværk af nanotråde i form af "hashtags". Denne enhed giver par Majorana -partikler mulighed for at udveksle position og holde styr på de ændringer, der er sket, i et fænomen kendt som "fletning". Denne begivenhed betragtes som et slående bevis på eksistensen af ​​Majorana -partikler, og det repræsenterer et afgørende skridt i retning af deres anvendelse som byggesten til udvikling af kvantecomputere. Med to Natur publikationer i hendes lomme, Gazibegović er klar til at forsvare sin ph.d. speciale den 10. maj.

I 1937, den italienske teoretiske fysiker Ettore Majorana antog eksistensen af ​​en unik partikel, der er dens egen antipartikel. Denne partikel, også omtalt som en "Majorana fermion, "kan også eksistere som en" kvasipartikel, "et kollektivt fænomen, der opfører sig som en individuel partikel, som i bølger, der dannes på vandet. Selve vandet forbliver samme sted, men bølgen kan "rejse" på overfladen, som om det var en enkelt partikel i bevægelse. I mange år, fysikere har forsøgt at finde Majorana -partiklen uden held. Endnu, i det sidste årti, forskere fra Eindhoven University of Technology har taget et stort spring fremad for at bevise eksistensen af ​​Majorana -partikler, også takket være forskningen i Gazibegović og hendes samarbejde med University of Delft, Philips Research og University of California - Santa Barbara.

Byggesten til kvantecomputere

Majorana -partikler har længe repræsenteret den "hellige gral" for partikelfysikere, også til deres potentielle anvendelse som kvantebits, eller "qubits, "de grundlæggende byggesten i kvantecomputere. I stedet for 1 eller 0-bitene på almindelige computere, qubits kan være 1 og 0 på samme tid. Samlinger af qubits kan bruges til at udføre flere beregninger på samme tid, som laver kvantecomputere, på skrift, meget hurtigere end almindelige computere.

I virkeligheden, til dato, at lave korrekt fungerende qubits har været djævelsk svært. Inden beviset for eksistensen af ​​Majorana -partikler, forskere brugte andre partikler i atomskala som qubits. Endnu, disse partikler viste sig at være følsomme og skrøbelige, og, som resultat, kvanteoplysningerne havde en tendens til at falme væk inden for brøkdele af sekunder. I denne henseende, Majorana -partikler repræsenterer stadig den lovende byggesten på grund af en specifik egenskab:deres iboende stabilitet.

Fletning, dermed stabilitet

Stabiliteten af ​​Majorana -partikler kan tilskrives et særligt fænomen kaldet "fletning". Når to Majorana -partikler udveksler position to gange - fra en startkonfiguration til en ny, og derefter tilbage til den startende - de to partikler vil vikle ind og opnå stabilitet, på samme måde som to løse ender af en strimmel, der, ved udveksling to gange, er flettet (FIG.1A).

Hashtags

For at generere Majorana -partikler, Gazibegović udviklede først de såkaldte topologiske superledere, nanotråde fremstillet af indiumphosphid (InP) med et lag af en superleder ovenpå (figur 1B).

Når et magnetisk felt påføres den topologiske superleder, Majorana -partikler dukker op ved ekstremiteterne af enheden. Serie af topologiske superledere blev derefter dyrket fra et specielt ætset substrat (figur 1C, 2) i form af hashtags (figur 1D, 2), så hver hashtag ville kunne producere fire Majorana -partikler, en nær hvert skæringspunkt.

Glattere grænseflader, bedre kvalitet

"En af de uopfyldte udfordringer på dette område, "forklarer Gazibegović, "er at forbedre kvaliteten af ​​grænsefladen mellem halvlederen og superlederen. Råhed indført ved denne grænseflade kan faktisk ødelægge egenskaberne i Majorana -staten." For at løse dette problem, Gazibegović og hendes kolleger fremstillede de topologiske superledere under ultrahøjt vakuum, som beskyttede dem mod udsættelse for kemiske ætsere og tillod fremstilling af enheder med "hidtil uset kvalitet".

Over hele verden

Bygningen af ​​disse enheder viste sig at være en virkelig oplevelse for Gazibegović, i og uden for arbejdstiden. I de sidste par år, Gazibegović har klokket miles og krydset havet flere gange, sammen med hendes nano-hashtags.

"Substraterne blev fremstillet i Delft, "forklarer hun, "og de skulle derefter overføres i Eindhoven til det følgende trin, væksten af ​​nano-hashtags. Når den er klar, de ville derefter blive samlet til topologiske superledere i Santa Barbara, i Californien. "

Computerkraft

Gazibegović:"Denne afhandling indeholder ny indsigt i vækstmekanismerne i nanotråde, samt designprincipper til at skabe komplekse geometrier. "Disse gennembrud inden for materialevidenskab har allerede resulteret i forbedret Majorana -enhedskvalitet, og tilbyde hidtil usete muligheder for kvanteteknologi og dens applikationer.

"Forskere, "fortsætter Gazibegović, "brugte årtier på at sammenligne forskellige lægemidlers virkninger på en række sygdomme. Denne proces kan forkortes betydeligt med kvantecomputere, der har tilstrækkelig beregningskraft til at forestille sig, på en gang, alle mulige resultater. "