Kvanteeksperter gennemgår vigtige teknikker til at isolere Majoranas

Majoranas er opkaldt efter en italiensk teoretisk fysiker og er komplekse kvasipartikler, der kan være nøglen til at bygge næste generations kvantecomputersystemer.

De fleste materialer indeholder mange elektroner, som hver har en negativ ladning og en type iboende kvantemomentum kendt som spin. Interaktioner mellem elektroner i nogle materialer kan producere nye partikler eller partikler, der har helt andre egenskaber end de elektroner, der omfatter dem. Eksempler omfatter materialer, hvor spin og ladning skilles ad, og materialer, hvor ladningsenheden nedbrydes i mindre fraktioner.

Majoranas, som falder ind under denne kategori af emergent partikler, kan eksistere i visse typer superledere og i en kvantetilstand af stof kendt som en spin væske. To Majoranas kombineres for at danne en elektron, så videnskabsmænd sigter efter at identificere materialer, hvori disse Majoranas kan eksistere separat. Ved at gøre det ville det gøre det muligt for forskere at observere de unikke egenskaber, som disse partikler demonstrerer på egen hånd – inklusive effektive metoder til lagring og overførsel af information over store afstande.

I forfølgelsen af ​​dette mål har et team af forskere, der inkluderer Harvard University's Amir Yacoby, et medlem af Quantum Science Center med hovedkvarter ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, udgivet et review-papir i Science om tilstanden på området for Majorana-forskning. QSC er et DOE National Quantum Information Science Research Center.

Holdet, der består af forskere fra Harvard, Princeton University og Free University of Berlin, er fokuseret på at studere Majoranas adfærd for at styrke viden om disse partiklers potentielle anvendelser og deres indvirkning på fundamentale videnskabelige fænomener.

"Disse ejendommelige partikler findes kun i visse materialer," sagde Yacoby. "Så spørgsmålene er, i hvilke materialer findes de og hvordan? Og hvilke slags tests kan vi lave for at afgøre, om et bestemt materiale har potentialet til at være vært for Majoranas? At besvare disse spørgsmål er en af ​​de største udfordringer på dette felt. "

I deres papir beskriver forskerne fremskridt i løbet af det seneste årti og fokuserer primært på de fire platforme, der viser løfte om isolering og måling af Majoranas – nanotråde, den fraktionelle kvante Hall-effekt, topologiske materialer og Josephson-kryds.

Nanotråde, som er den mest undersøgte mulighed for at realisere Majorana-baserede kvantesystemer, er tynde stænger lavet af et halvledende materiale. En anden måde at skabe en atmosfære, der er gæstfri for Majoranas, er at aktivere den fraktionelle kvante Hall-effekt, som opstår, når elektroner bevæger sig i et plan, der er udsat for et stærkt magnetfelt.

Mange topologiske materialer er også potentielle værter for Majoranas på grund af deres tilsyneladende modstridende struktur af indre regioner, der fungerer som elektriske isolatorer og udvendige regioner, der let leder elektricitet. Endelig består Josephson junctions af to superledere adskilt af et normalt stykke metal eller en halvleder. Tidligere QSC-undersøgelser har vist, at disse superledersandwich kunne konstrueres til komfortabelt at huse Majoranas.

"Når vi anvender nye teknikker til disse forskellige typer materialer, er det, der ofte sker, at vi opdager ting, vi ikke havde forventet," sagde Yacoby. "En del af vores mål er bedre at forstå, hvad vi præcist ser i de signaturer, vi observerer."

Denne forskning er i overensstemmelse med QSC-prioriteterne. Forskerne arbejder sammen med andre QSC-medlemmer, herunder Prineha Narang ved UCLA og Stephen Jesse ved ORNL, for at fortsætte med at udtænke nye teoretiske og eksperimentelle metoder, der sigter mod at screene materialer for Majoranas.

"Gennem QSC har vi været i stand til at drage fordel af nye teknologier, der dukker op inden for kvantevidenskabssamfundet," sagde Yacoby. "Disse omfatter nye måder at måle og sondere stof for at udtænke nye tests, der vil fortælle os, om et materiale er værd at overveje som en mulig vært for Majoranas eller ej."