Majorana fermioner är partiklar som potentiellt kan användas som informationsenheter för en kvantdator. Ett experiment av fysiker vid Swiss Nanoscience Institute och University of Basel's Department of Physics har bekräftat deras teori om att Majorana fermioner kan genereras och mätas på en superledare i slutet av trådar gjorda av enstaka järnatomer. Forskarna lyckades också observera Majoranas vågegenskaper och, därför, för att göra insidan av en Majorana synlig för första gången. Resultaten publicerades i tidningen npj Quantum Information .

För cirka 75 år sedan, Den italienska fysikern Ettore Majorana antog förekomsten av exotiska partiklar som är deras egna antipartiklar. Sedan dess, intresse för dessa partiklar, känd som Majorana fermioner, har vuxit enormt med tanke på att de kan spela en roll för att skapa en kvantdator. Majoranas har redan beskrivits mycket bra i teorin. Dock, att undersöka dem och få experimentella bevis är svårt eftersom de måste förekomma i par men då vanligtvis är bundna till att bilda en normal elektron. Geniala kombinationer och arrangemang av olika material krävs därför för att generera två Majoranas och hålla dem isär.

Samarbete mellan teori och praktik

Gruppen som leds av professor Ernst Meyer har nu använt förutsägelser och beräkningar av teoretiska fysiker professor Jelena Klinovaja och professor Daniel Loss (från Swiss Nanoscience Institute och University of Basel's Department of Physics) för att experimentellt mäta tillstånd som motsvarar Majoranas. På en superledare, forskarna avdunstade enstaka järnatomer med spinn som, på grund av radatomernas ledstruktur, ordna sig till en minuttråd som består av en rad enkla atomer. Trådarna nådde en häpnadsväckande längd på upp till 70 nanometer.

Singel Majoranas i ändarna

Forskarna undersökte dessa mono-atomkedjor med hjälp av skanning av tunnelmikroskopi och, för första gången, med ett atomkraftmikroskop också. Med hjälp av bilderna och mätningarna, de hittade tydliga indikationer på förekomsten av enstaka Majorana -fermioner på trådarnas ändar under vissa förhållanden och från en specifik trådlängd på.

Trots avståndet mellan dem, de två Majoranas på trådarnas ändar är fortfarande anslutna. Tillsammans, de bildar ett nytt tillstånd utsträckt över hela tråden som antingen kan upptas ("1") eller inte upptas ("0") av en elektron. Denna binära egenskap kan sedan fungera som grund för en kvantbit (Qubit) och innebär att Majoranas, som också är mycket robusta mot ett antal miljöpåverkan, är lovande kandidater för att skapa en framtida kvantdator.

Förväntad vågfunktion uppmätt

Forskarna från Basel har inte bara visat att enstaka Majoranas kan genereras och mätas i ändarna på en järntråd, de utförde också det första experimentet för att visa att Majoranas är förlängda kvanteobjekt med en inre struktur, som förutsagts av deras teorikollegor. Över ett område på flera nanometer, mätningarna visade den förväntade vågfunktionen med karakteristiska svängningar och dubbla sönderfallslängder, som nu har synliggjorts för första gången.