Majorana-fermioner rummer potentiale for informationsteknologi uden modstand

En ny, multi-node FLEET anmeldelse, offentliggjort i Matter , undersøger søgningen efter Majorana-fermioner i jernbaserede superledere.

Den undvigende Majorana-fermion, eller "englepartikel", foreslået af Ettore Majorana i 1937, opfører sig samtidigt som en partikel og en antipartikel – og forbliver overraskende stabil i stedet for at være selvdestruktiv.

Majorana-fermioner lover informations- og kommunikationsteknologi uden modstand, der adresserer det stigende energiforbrug af moderne elektronik (allerede 8 % af det globale elforbrug) og lover en bæredygtig fremtid for computere.

Derudover er det tilstedeværelsen af ​​Majorana nul-energi-tilstande i topologiske superledere, der har gjort disse eksotiske kvantematerialer til de vigtigste kandidatmaterialer til realisering af topologisk kvanteberegning.

Eksistensen af ​​Majorana-fermioner i kondenseret stof-systemer vil hjælpe i FLEETs søgen efter fremtidige elektroniske lavenergiteknologier.

Englepartiklen:Både stof og antistof

Fundamentale partikler såsom elektroner, protoner, neutroner, kvarker og neutrinoer (kaldet fermioner) har hver deres særskilte antipartikler. En antipartikel har samme masse som dens almindelige partner, men modsat elektrisk ladning og magnetisk moment.

Konventionel fermion og anti-fermioner udgør stof og antistof og udsletter hinanden, når de kombineres.

"Majorana fermion er den eneste undtagelse fra denne regel, en sammensat partikel, der er sin egen antipartikel," siger den tilsvarende forfatter professor Xiaolin Wang (UOW).

Men på trods af den intensive søgning efter Majorana-partikler, har ledetråden om dens eksistens været uhåndgribelig i mange årtier, da de to modstridende egenskaber (dvs. dens positive og negative ladning) gør den neutral, og dens interaktion med miljøet er meget svag.

Topologiske superledere:Frugtbar jord for englepartiklen

Selvom eksistensen af ​​Majorana-partiklen endnu ikke er blevet opdaget, kan den på trods af omfattende søgninger i højenergifysiske faciliteter såsom CERN eksistere som en enkelt-partikel-excitation i kondenseret stof-systemer, hvor båndtopologi og superledning eksisterer side om side.

"I de sidste to årtier er Majorana-partikler blevet rapporteret i mange superleder-heterostrukturer og er blevet demonstreret med et stærkt potentiale i kvanteberegningsapplikationer," ifølge Dr. Muhammad Nadeem, en FLEET-postdoc ved UOW.

For et par år siden blev der rapporteret om en ny type materiale kaldet jernbaserede topologiske superledere, der hostede Majorana-partikler uden fremstilling af heterostrukturer, hvilket er vigtigt for anvendelse i rigtige enheder.

"Vores artikel gennemgår de seneste eksperimentelle resultater i disse materialer:hvordan man opnår topologiske superledermaterialer, eksperimentel observation af den topologiske tilstand og påvisning af Majorana nul-tilstande," siger førsteforfatter UOW Ph.D. kandidat Lina Sang.

I disse systemer kan kvasipartikler efterligne en bestemt type Majorana-fermion, såsom "chiral" Majorana-fermion, en der bevæger sig langs en en-dimensionel bane og Majorana "nul-tilstand", en der forbliver afgrænset i et nul-dimensionelt rum.

Applikationer af Majorana nul-tilstand

Hvis sådanne kondenserede systemer, der hoster Majorana-fermioner, er eksperimentelt tilgængelige og kan karakteriseres ved en simpel teknik, ville det hjælpe forskere med at styre konstruktionen af ​​lavenergiteknologier, hvis funktionaliteter aktiveres ved at udnytte unikke fysiske egenskaber ved Majorana-fermioner, som f.eks. som fejltolerant topologisk kvanteberegning og ultra-lavenergielektronik.

Vært for Majorana-fermioner i topologiske tilstande af stof, topologiske isolatorer og Weyl-halvmetaller vil blive dækket på denne måneds store internationale konference om halvledernes fysik (ICPS), der afholdes i Sydney, Australien.

IOP 2021 Quantum materials roadmap undersøger rollen af ​​intrinsic spin-orbit coupling (SOC) baserede kvantematerialer til topologiske enheder baseret på Majorana modes, der udlægger beviser på grænsen mellem stærke SOC materialer og superledere, såvel som i en jernbaseret superleder. + Udforsk yderligere

En magnetisk metode til at kontrollere transporten af ​​chirale Majorana-fermioner