Undersøgelse undersøger, hvordan spin-orbit-interaktion beskytter Majorana nanotråde

Forskere ved Delft University of Technology har for nylig gennemført en undersøgelse, der undersøger spin-orbit-interaktion i Majorana nanotråde. Deres undersøgelse, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , er den første til tydeligt at vise den mekanisme, der muliggør dannelsen af ​​den undvigende Majorana -partikel, som kunne blive byggesten for en mere stabil type kvantecomputer.

"Vores forskning er rettet mod eksperimentel verifikation af den teoretisk foreslåede Majorana zero-mode, "Jouri Bommer, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org via e -mail. "Denne partikel, som er sin egen antipartikel, er af særlig interesse, fordi det forudsiges at være nyttigt til udvikling af en topologisk kvantecomputer. "

Quantum computing er et lovende område inden for datalogi, der undersøger brugen af ​​kvantemekaniske fænomener og kvantetilstande til at gemme information og løse beregningsproblemer. I fremtiden, kvantecomputere kunne løse problemer, som traditionelle computermetoder ikke er i stand til at løse, for eksempel muliggør beregnings- og deterministisk design af nye lægemidler og molekyler.

Selvom disse computere kunne have bemærkelsesværdige fordele, de fleste metoder til kvanteberegning lider af en følsomhed over for støj, der er kendt som "dekoherens". Forskere har derfor udviklet en ny type kvantecomputer, der er afhængig af Majorana -partikler, som iboende er beskyttet mod støj. Denne "topologiske" beskyttelse kræver superledning, et fænomen, der giver mulighed for afledningsfri elektrisk strøm.

"Ved at kode kvanteinformation i den topologiske egenskab ved Majorana nultilstande, dekoherensfejl/problem kan løses fra det grundlæggende enhedsniveau, "Bommer forklaret." Dette nye system er iboende beskyttet mod støj, et problem, der plager alternative tilgange til kvanteberegning. Den topologiske beskyttelse mod støj er meget som at gemme information som en knude i et reb:ved let at ryste rebet, knuden vil ikke fortrydes. "

Oprettelsen af ​​Majoranas er afhængig af et magnetfelt, som generelt er uforenelig med superledelse; et bestemt krav om Majoranas. En løsning til at overvinde denne begrænsning er at udnytte interaktionen mellem elektroners bevægelse med deres interne "magneter, "et fænomen kendt som spin-orbit-interaktion. I nærvær af denne interaktion, et materiale føler ikke magnetfeltet, der kræves af Majoranas, så stærkt, hvilket muliggør superledelse.

"Tidligere forskning har vist underskrifter, der understøtter eksistensen af ​​Majorana-nul-modes, selvom der den dag i dag har været en betydelig debat om, hvorvidt disse eksperimentelle signaturer kan efterlignes af andre fysiske fænomener, "Bommer forklaret." I vores seneste publikation, vi tager en anden tilgang og undersøger betingelserne for at oprette en Majorana-nul-tilstand. For at oprette en Majorana, vi har brug for en halvleder-nanotråd, der i sig selv har spin-kredsløb-interaktion, som vi kobler til et superledende materiale for at få superledningen til at 'sive' ind i halvlederens nanotråd. "

Indtil nu, de fleste undersøgelser antog tilstedeværelsen af ​​en spin-orbit-interaktion i eksperimenter, der viste beviser for Majorana-tilstande. Ikke desto mindre, ingen havde endnu undersøgt effekten af ​​denne interaktion i superleder- og halvleder Majorana-ledninger, hvilket er afgørende for at skabe disse tilstande.

"I vores undersøgelse, vi afslørede denne effekt og målte direkte denne spin-orbit-interaktion og dens styrke, "Bommer sagde." Vi opnåede dette ved at studere effekten af ​​magnetiske felter i forskellige forskellige retninger på superledningen. "

Typisk, magnetfelter undertrykker supraledelse ved at lukke det superledende energigab. Spin-kredsløb-interaktionen modvirker denne undertrykkelse, når magnetfeltet peger langs bestemte retninger. I deres elektrontransportforsøg, derfor, forskerne krævede et stærkere magnetfelt for at lukke dette hul.

Ved at udføre teoretiske beregninger og sammenligne dem med deres eksperimentelle data, Bommer og hans kolleger kunne estimere styrken af ​​spin-orbit-interaktionen. Denne meget vigtige parameter var tidligere ukendt i systemer til topologiske kvanteberegningsapplikationer.

"Vores observationer viser, at interaktion mellem spin og kredsløb, en af ​​de essentielle ingredienser til at skabe Majorana -tilstande, er til stede i systemet og understøtter således signaturerne fra Majorana -tilstande, der tidligere er blevet observeret, "Bommer forklaret." Desuden den observerede fysik, hvormed spin-orbit-interaktion beskytter superledningsevne, er netop fysikken, der i sidste ende er ansvarlig for den forventede modstandsdygtighed over for støj (dvs. topologisk beskyttelse), der forventes for en topologisk kvantecomputer. "

Undersøgelsen udført af Bommer og hans kolleger viser, at superledning og spin-orbit-interaktion kan være til stede samtidigt, afsløring af de mekanismer, hvormed spin-orbit-interaktion beskytter superledning i Majorana nanotråde. Deres observationer viser, at mere avancerede implementeringer af dette materialesystem også bør drage fordel af spin-orbit-beskyttelse af kvanteinformation, og at den estimerede spin-orbit-styrke giver et vigtigt input til design af kvanteberegningskredsløb.

Forskerne planlægger nu yderligere forskning med det formål at finde nye eksperimentelle signaturer til Majorana zero-modes ved hjælp af forbedrede materialesystemer. For eksempel, de har ændret NbTiN -superlederen til et tyndt aluminiumslag, hvilket giver meget bedre superledning.

"Vi jagter også for at observere Majorana -partiklerne i begge ender af tråden samtidigt, hvilket er et stærkt argument for at hævde observationen af ​​sande Majorana -tilstande, "Bommer sagde." Disse forbedringer, som vi arbejder på, er også nødvendige for at realisere vores ambition om at skabe en kvantecomputer, der bruger Majorana -partikler som sine byggesten. Disse eksperimenter i nær fremtid vil ikke kun tjene som mellemliggende skridt mod en topologisk qubit, men også vise Majorana -fysik i et mere grundlæggende aspekt. "

© 2019 Science X Network