Mystisk Majorana quasiparticle er nu tættere på at blive kontrolleret til kvanteberegning

Lige så mystisk som den italienske videnskabsmand, som den er opkaldt til, Majorana -partiklen er en af ​​de mest overbevisende quests inden for fysik.

Dens berømmelse stammer fra dens mærkelige egenskaber - det er den eneste partikel, der er dens egen antipartikel - og fra dens potentiale til at blive udnyttet til fremtidig kvanteberegning.

I de seneste år, en håndfuld grupper, herunder et team i Princeton, har rapporteret at finde Majorana i forskellige materialer, men udfordringen er, hvordan man manipulerer den til kvanteberegning.

I en ny undersøgelse offentliggjort i denne uge, Princeton -teamet rapporterer en måde at kontrollere Majorana -kvasipartikler i en indstilling, der også gør dem mere robuste. Indstillingen - som kombinerer en superleder og et eksotisk materiale kaldet en topologisk isolator - gør Majoranas særligt modstandsdygtige over for ødelæggelse af varme eller vibrationer fra det ydre miljø. Hvad er mere, holdet demonstrerede en måde at tænde eller slukke Majorana ved hjælp af små magneter integreret i enheden. Rapporten optrådte i journalen Videnskab .

"Med denne nye undersøgelse har vi nu en ny måde at konstruere Majorana quasiparticles i materialer, "sagde Ali Yazdani, Klasse af 1909 professor i fysik og seniorforfatter på undersøgelsen. "Vi kan verificere deres eksistens ved at afbilde dem, og vi kan karakterisere deres forudsagte egenskaber."

Majorana er opkaldt efter fysikeren Ettore Majorana, der forudsagde eksistensen af ​​partiklen i 1937 bare et år, før den på mystisk vis forsvandt under en færgetur ud for den italienske kyst. Bygger på den samme logik, som fysiker Paul Dirac forudsagde i 1928, at elektronen skulle have en antipartikel, senere identificeret som positron, Majorana teoretiserede eksistensen af ​​en partikel, der er dens egen antipartikel.

Typisk når stof og antimaterie kommer sammen, de tilintetgør hinanden i en voldsom frigivelse af energi, men Majoranaerne, når de vises som par hver i hver ende af specialdesignede ledninger, kan være relativt stabile og interagere svagt med deres omgivelser. Parene muliggør lagring af kvanteinformation på to forskellige steder, gør dem relativt robuste mod forstyrrelser, fordi for at ændre kvantetilstanden kræves operationer i begge ender af tråden på samme tid.

Denne kapacitet har fængslet teknologer, der forestiller sig en måde at lave kvantebits - enhederne for kvanteberegning - der er mere robuste end nuværende tilgange. Quantum -systemer er værdsat for deres potentiale til at tackle problemer, der er umulige at løse med nutidens computere, men de kræver opretholdelse af en skrøbelig tilstand kaldet superposition, som hvis forstyrret, kan resultere i systemfejl.

En Majorana-baseret kvantecomputer ville gemme oplysninger i parpartikler og udføre beregning ved at flette dem rundt om hinanden. Beregningsresultaterne ville blive bestemt ved tilintetgørelse af Majoranas med hinanden, som kan resultere i enten fremkomsten af ​​en elektron (detekteret ved dens ladning) eller ingenting, afhængigt af hvordan parret Majoranas er flettet. Det sandsynlige resultat af Majorana -parets tilintetgørelse ligger til grund for dets anvendelse til kvanteberegning.

Udfordringen er, hvordan man opretter og let styrer Majoranas. Et af de steder, de kan eksistere, er i enderne af en enkelt-atom-tyk kæde af magnetiske atomer på en superledende seng. I 2014, rapporterer i Videnskab , Yazdani og samarbejdspartnere brugte et scanning tunneling microscope (STM), hvor en spids trækkes over atomer for at afsløre tilstedeværelsen af ​​kvasipartikler, at finde Majoranas i begge ender af en kæde af jernatomer, der hviler på overfladen af ​​en superleder.

Holdet fortsatte med at opdage Majoranas kvante -spin, "en ejendom, der deles af elektroner og andre subatomære partikler. I en rapport offentliggjort i Science i 2017, teamet erklærede, at Majoranas spin -egenskab er et unikt signal, hvormed man kan bestemme, at en påvist kvasipartikel faktisk er en Majorana.

I denne seneste undersøgelse, holdet udforskede et andet forudsagt sted for at finde Majoranas:i kanalen, der dannes ved kanten af ​​en topologisk isolator, når den placeres i kontakt med en superleder. Superledere er materialer, hvor elektroner kan rejse uden modstand, og topologiske isolatorer er materialer, hvor elektroner kun strømmer langs kanterne.

Teorien forudsiger, at Majorana -kvasipartikler kan dannes på kanten af ​​et tyndt ark topologisk isolator, der kommer i kontakt med en blok af superledende materiale. Superlederens nærhed lokker elektroner til at strømme uden modstand langs den topologiske isolatorkant, som er så tynd, at den kan betragtes som en ledning. Da Majoranas dannes ved enden af ​​ledninger, det skal være muligt at få dem til at se ud ved at klippe tråden.

"Det var en forudsigelse, og den sad bare der alle disse år, "sagde Yazdani." Vi besluttede at undersøge, hvordan man rent faktisk kunne lave denne struktur på grund af dets potentiale til at lave Majoranas, der ville være mere robust over for materialefejl og temperatur. "

Holdet byggede strukturen ved at fordampe et tyndt ark vismut topologisk isolator oven på en blok af niobium -superleder. De placerede magnetiske hukommelsesbiter i nanometerstørrelse på strukturen for at tilvejebringe et magnetfelt, som afsporer strømmen af ​​elektroner, producerer den samme effekt som at skære tråden. De brugte STM til at visualisere strukturen.

Når de bruger deres mikroskop til at jage efter Majorana, imidlertid, forskerne var først forvirrede over, hvad de så. Nogle gange så de Majorana dukke op, og andre gange kunne de ikke finde det. Efter yderligere udforskning indså de, at Majorana kun vises, når de små magneter magnetiseres i retningen parallelt med elektronstrømningsretningen langs kanalen.

"Da vi begyndte at karakterisere de små magneter, vi indså, at de er kontrolparameteren, "sagde Yazdani." Den måde, hvorpå magnetiseringen af ​​boret er orienteret, afgør, om Majorana vises eller ej. Det er en tænd / sluk-kontakt. "

Teamet rapporterede, at Majorana -kvasipartiklen, der dannes i dette system, er ret robust, fordi den forekommer ved energier, der er forskellige fra de andre kvasipartikler, der kan eksistere i systemet. Robustheden stammer også fra dens dannelse i en topologisk kantmodus, som i sagens natur er modstandsdygtig over for forstyrrelser. Topologiske materialer får deres navn fra den gren af ​​matematik, der beskriver, hvordan objekter kan deformeres ved at strække eller bøje. Elektroner, der strømmer i et topologisk materiale, vil således fortsætte med at bevæge sig omkring buler eller ufuldkommenheder.