Физика

Wild New Discovery показывает, как мы можем включать и выключать майорановские фермионы

Частица, известная как майорановский фермион, так же таинственна и неуправляема, как и уникальна. Это единственная известная частица, которая также является собственной античастицей и обладает свойствами, которые делают ее привлекательным кандидатом на кубиты, основной единицей информации в квантовом компьютере.

Однако использовать этот потенциал легче сказать, чем сделать - фермионы Майораны-скользкие маленькие присоски. Но группа физиков частиц теперь сообщает, что они нашли способ контролировать их.

«Теперь у нас есть новый способ создания майорановских квазичастиц в материалах», - сказал физик Али Яздани из Принстонского университета. «Мы можем проверить их существование, представляя их, и мы можем охарактеризовать их прогнозируемые свойства».

Система основана на ниобиевом сверхпроводнике, материале, который - при переохлаждении чуть выше абсолютного нуля - позволяет электронам двигаться без сопротивления. Это сочетается с топологическим изолятором из висмута, материалом, который изолирует внутри, но проводит снаружи.

Квазичастицы майорановского фермиона являются одновременно проводящим электроном и его античастицей, дыркой, оставленной таким электроном в кристаллической атомной решетке. Обычно частица и античастица в одном и том же пространстве уничтожают друг друга, но запутанные пары майорановских квазичастиц держатся отдельно друг от друга на любом конце специальной проволоки.

Это позволяет хранить квантовую информацию в двух отдельных местах, что означает, что она не может быть нарушена, если оба конца системы не нарушены одновременно.

Однако квазичастицы майорана также очень хрупкие - они не выживают при сильных внешних колебательных возмущениях и могут существовать только в небольшом температурном диапазоне. Таким образом, система сверхпроводниковых топологических изоляторов создает условия, которые делают майорановские фермионы более прочными и упругими.

Но с добавлением крошечных магнитов команда продемонстрировала нечто иное, помимо этой повышенной стабильности: они могли включать и выключать квазичастицы.

Было предсказано, что майорановские квазичастицы появляются на краю топологического изолятора, контактирующего с полупроводником, где близость к сверхпроводнику вызывает свободный от сопротивления поток электронов вдоль тонкой проволочной кромки топологического изолятора.

Поскольку майорановские квазичастицы появляются на концах проводов, их можно создать, "обрезав" изолятор "провода". Вот что сделала команда.

«Это был прогноз, и он просто сидел там все эти годы», - сказал Яздани. «Мы решили изучить, как можно на самом деле сделать эту структуру из-за ее способности делать майораны, которые были бы более устойчивы к материальным недостаткам и температуре».

Они установили сверхпроводник и топологический изолятор, и добавили магниты, чтобы прервать поток электронов, эффективно действуя как «разрез» в проводе. Но когда они использовали сканирующий туннельный микроскоп для изучения эксперимента, они обнаружили, что квазичастицы появляются только иногда.

Быстро стало очевидно, что магниты как-то связаны с этим: квазичастицы майорана появляются только тогда, когда магниты намагничиваются параллельно потоку электронов.

"Когда мы начали характеризовать маленькие магниты, мы поняли, что они являются контрольным параметром", - сказал Йездани. - Это выключатель."

Вот почему очень хорошо иметь такой точный контроль над этими фермионами: для использования в квантовых вычислениях информация будет храниться в парах майорановских квазичастиц. Вычисление будет выполнено путем сплетения этих пар вместе, при этом результаты вычисления будут зависеть от уничтожения пар.

В зависимости от того, как квазичастицы сплетены, эта аннигиляция будет производить обнаруживаемый заряд, который будет указывать на появление электрона, или ничего. Вероятностный результат этого уничтожения может стать основой квантовых вычислений Майорана, хотя мы все еще далеки от этой реальности.

Итак, следующая остановка? Попытка получить такой же результат в нанопроволоках висмута и других 2D и 3D топологических изоляторах.

Исследование было опубликовано в журнале Science.

Читайте Новая Наука в
Back to top button