Første observation af mystisk Majorana fermion på et almindeligt metal

Fysikere ved MIT og andre steder har observeret tegn på Majorana fermioner - partikler, der teoretiseres til også at være deres egen antipartikel - på overfladen af ​​et fælles metal:guld. Dette er den første observation af Majorana fermioner på en platform, der potentielt kan skaleres op. Resultaterne, offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences , er et stort skridt i retning af at isolere partiklerne som stabile, fejlsikre qubits til kvanteberegning.

I partikelfysik, fermioner er en klasse af elementarpartikler, der omfatter elektroner, protoner, neutroner, og kvarker, som alle udgør byggestenene i stof. For det meste, disse partikler betragtes som Dirac fermioner, efter den engelske fysiker Paul Dirac, der først forudsagde, at alle fermioniske grundpartikler skulle have et modstykke, et sted i universet, i form af en antipartikel - i det væsentlige en identisk tvilling med modsat ladning.

I 1937, den italienske teoretiske fysiker Ettore Majorana udvidede Diracs teori, forudsiger, at blandt fermioner, der skulle være nogle partikler, siden opkaldt Majorana fermioner, der ikke kan skelnes fra deres antipartikler. På mystisk vis, fysikeren forsvandt under en færgetur ud for den italienske kyst blot et år efter at han havde forudsagt. Forskere har siden ledt efter Majoranas gådefulde partikel. Det er blevet foreslået, men ikke bevist, at neutrinoen kan være en Majorana -partikel. På den anden side, teoretikere har forudsagt, at Majorana fermioner også kan eksistere i faste stoffer under særlige forhold.

Nu har det MIT-ledede team observeret tegn på Majorana fermioner i et materialesystem, de designede og fremstillede, som består af nanotråde af guld dyrket oven på et superledende materiale, vanadium, og prikket med små, ferromagnetiske "øer" af europiumsulfid. Da forskerne scannede overfladen nær øerne, de så signatursignalspidser nær nul energi på den øverste overflade af guld, der, ifølge teorien, bør kun genereres af par Majorana fermioner.

"Majorana ferminoner er disse eksotiske ting, der længe har været en drøm at se, og vi ser dem nu i et meget enkelt materiale - guld, "siger Jagadeesh Moodera, en senior forsker ved MIT's Institut for Fysik. "Vi har vist, at de er der, og stabil, og let skalerbar. "

"Det næste skub vil være at tage disse objekter og gøre dem til qubits, hvilket ville være enorme fremskridt i retning af praktisk kvanteberegning, "tilføjer medforfatter Patrick Lee, William og Emma Rogers professor i fysik ved MIT.

Lee og Mooderas medforfattere inkluderer tidligere MIT postdoc og første forfatter Sujit Manna (i øjeblikket på fakultetet ved Indian Institute of Technology i Delhi), og tidligere MIT postdoc Peng Wei fra University of California at Riverside, sammen med Yingming Xie og Kam Tuen Law ved Hong Kong University of Science and Technology.

Høj risiko

Hvis de kunne udnyttes, Majorana fermioner ville være ideelle som qubits, eller individuelle beregningsenheder til kvantecomputere. Ideen er, at en qubit ville være lavet af kombinationer af par Majorana fermioner, hver af dem ville blive adskilt fra sin partner. Hvis støjfejl påvirker et medlem af parret, den anden bør forblive upåvirket, derved bevarer integriteten af ​​qubit og gør det muligt korrekt at udføre en beregning.

Forskere har ledt efter Majorana fermioner i halvledere, de materialer, der anvendes i konventionelle, transistorbaseret computing. I deres eksperimenter, forskere har kombineret halvledere med superledere - materialer, hvorigennem elektroner kan rejse uden modstand. Denne kombination giver konventionelle halvledere superledende egenskaber, som fysikere mener skulle få partikler i halvlederen til at splitte, danner parret Majorana fermioner.

"Der er flere materielle platforme, hvor folk tror, ​​at de har set Majorana -partikler, "Siger Lee." Beviset er stærkere og stærkere, men det er stadig ikke 100 procent bevist. "

Hvad mere er, de halvlederbaserede opsætninger til dato har været svære at skalere op for at producere de tusinder eller millioner af qubits, der er nødvendige for en praktisk kvantecomputer, fordi de kræver voksende meget præcise krystaller af halvledende materiale, og det er meget udfordrende at omdanne disse til superledere af høj kvalitet.

For cirka et årti siden, Lee, arbejder med sin kandidatstuderende Andrew Potter, havde en idé:Måske kunne fysikere observere Majorana fermioner i metal, et materiale, der let bliver superledende i nærheden af ​​en superleder. Forskere laver rutinemæssigt metaller, herunder guld, til superledere. Lees idé var at se, om guldets overfladetilstand - dets øverste lag af atomer - kunne gøres til at være superledende. Hvis dette kunne opnås, så kunne guld tjene som en ren, atompræcis system, hvor forskere kunne observere Majorana fermioner.

Lee foreslog, baseret på Mooderas tidligere arbejde med ferromagnetiske isolatorer, at hvis den blev placeret oven på en superledende overfladetilstand af guld, så burde forskere have en god chance for tydeligt at se signaturer af Majorana fermioner.

"Da vi først foreslog dette, Jeg kunne ikke overbevise mange eksperimenter om at prøve det, fordi teknologien var skræmmende, "siger Lee, der til sidst indgik et samarbejde med Mooderas eksperimentelle gruppe for at sikre afgørende finansiering fra Templeton Foundation for at realisere designet." Jagadeesh og Peng var virkelig nødt til at genopfinde hjulet. Det var ekstremt modigt at springe ud i dette, fordi det virkelig er en højrisiko, men vi tænker på en høj gevinst, ting."

"Find Majorana"

I løbet af de sidste par år, forskerne har karakteriseret guldets overfladetilstand og bevist, at det kunne fungere som en platform for at observere Majorana fermioner, hvorefter gruppen begyndte at fremstille det setup, som Lee forestillede sig for mange år siden.

De dyrkede først et lag superledende vanadium, ovenpå som de lagde nanotråde af guldlag, måler cirka 4 nanometer tyk. De testede ledningsevnen i guldets øverste lag, og fandt ud af, at det gjorde det, faktisk, blive superledende i nærheden af ​​vanadium. De deponerede derefter over guld -nanotråde "øer" af europiumsulfid, et ferromagnetisk materiale, der er i stand til at tilvejebringe de nødvendige indre magnetiske felter til at skabe Majorana fermioner.

Holdet påførte derefter en lille spænding og brugte scanningstunnelmikroskopi, en specialiseret teknik, der gjorde det muligt for forskerne at scanne energispektret omkring hver ø på guldets overflade.

Moodera og hans kolleger ledte derefter efter en meget specifik energisignatur, som kun Majorana fermioner skulle producere, hvis de findes. I ethvert superledende materiale, elektroner bevæger sig igennem ved bestemte energiområder. Der er dog en ørken, eller "energigab", hvor der ikke bør være elektroner. Hvis der er en stigning inde i dette hul, det er meget sandsynligt en signatur af Majorana fermioner.

Når man ser på deres data, forskerne observerede pigge inde i dette energigab i modsatte ender af flere øer i retning af magnetfeltet, der var klare signaturer af par Majorana fermioner.

"Vi ser kun denne stigning på modsatte sider af øen, som teorien forudsagde, "Siger Moodera." Andre steder, du ser det ikke. "

"I mine samtaler, Jeg kan godt lide at sige, at vi finder Majorana, på en ø i et hav af guld, "Tilføjer Lee.

Moodera siger, at teamets setup, kræver kun tre lag - guld klemt mellem en ferromagnet og en superleder - er en "let opnåelig, stabilt system ", der også skal være økonomisk skalerbar i forhold til konventionelle, halvlederbaserede metoder til at generere qubits.

"At se et par Majorana fermioner er et vigtigt skridt mod at lave en qubit, "Wei siger." Det næste trin er at lave en qubit af disse partikler, og vi har nu nogle ideer til, hvordan vi gør det. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.