En dansk-amerikansk forskargrupp har visat att det är möjligt att producera Majorana-partiklar i ett nytt byggmaterial. Forskningen, ledd av forskare från Niels Bohr-institutet, Köpenhamns universitet, banar väg för nya typer av experiment – ​​och representerar samtidigt ett viktigt bidrag till konstruktionen av morgondagens informationskretsar.

Ända sedan Ettore Majorana – legendarisk och mytisk italiensk fysiker – redan 1937 föreslog existensen av en partikel som också är dess egen anti-partikel, forskare har letat efter "Majorana-partikeln, "som det är har kommit att bli känt.

Hittills har sökningen varit utan resultat

Ett team av forskare från Center for Quantum Devices vid Niels Bohr Institute (NBI) och från Purdue University, USA, har dock nyligen bidragit till att främja Majorana-forskningen.

Inte genom att hitta den svårfångade partikeln själv, men genom att ta reda på hur man producerar ett material där elektroner beter sig i enlighet med de teoretiska förutsägelserna för Majorana-partiklar.

Resultaten av forskningsprojektet publiceras i denna veckas nummer av den vetenskapliga tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Utan kostnad

En antipartikel är en elementarpartikel – identisk med sin motsvarighet, " men med motsatt elektrisk laddning. Som ses i förhållandet mellan negativt laddade elektroner och positivt laddade positroner.

Om en partikel också är sin egen anti-partikel—som, eftersom det verkligen existerar, kommer att vara fallet med en Majorana-partikel—den kommer därför inte att ha någon laddning alls.

De egenskaper som, enligt Ettore Majoranas beräkningar, kommer att karakterisera en Majorana partikel gör av ett antal skäl fascinerar forskare. Uppenbarligen eftersom sådana egenskaper "förpackade" i en partikel kommer att representera nya experimentella möjligheter. Men också för att Majorana-egenskaper anses vara användbara när forskare är t.ex. försöker konstruera kvantdatorer – dvs. morgondagens informationskretsar som kommer att ha kapacitet att behandla dataladdningar långt, mycket tyngre än de som hanteras av våra nuvarande superdatorer.

Över hela världen försöker forskare designa kvantdatorer.

Det är ett lopp – Center for Quantum Devices vid NBI är en av de tävlande – och biträdande professor Fabrizio Nichele och professor Charles Marcus, båda representerar NBI-centret, varit ansvarig för det dansk-amerikanska forskningsprojektet.

"Den kondenserade versionen är att det är möjligt att producera ett material där elektroner beter sig som Majorana-partiklar, som våra experiment antyder – och att det är möjligt att framställa detta material med hjälp av tekniker som liknar dem som används idag vid tillverkning av datorkretsar. Utöver det har vi visat hur detta material gör det möjligt för oss att mäta egenskaper hos Majorana-partiklar som aldrig uppmätts förut - och utföra dessa mätningar med stor precision, " förklarar Fabrizio Nichele.

Laptop design

Två ultratunna lakan – kombinerade i en smörgås – är i centrum för den dansk-amerikanska upptäckten, och allt har att göra med att producera ett material baserat på denna smörgås."

Det undre lagret av "smörgåsen" är gjord av indiumarsenid, en halvledare, och det översta lagret är gjort av aluminium, en supraledare. Och "smörgåsen" sitter ovanpå en så kallad oblat, en av byggstenarna som används i modern datorteknik.

Om du skär ut en nanotråd från detta "sandwich"-lager är det möjligt att skapa ett tillstånd där elektroner inuti tråden visar Majorana-egenskaper - och teorin bakom detta tillvägagångssätt har delvis varit känd sedan 2010, säger Fabrizio Nichele:

"Dock, hittills har det varit ett stort problem eftersom det var nödvändigt att "odla" nanotråden i speciella maskiner i ett labb – och tråden var, bokstavligen, endast tillgänglig i form av små "hårliknande" strån. För att bygga t.ex. ett chip baserat på detta material, du var därför tvungen att montera ett nästan outgrundligt antal enstaka strån - vilket gjorde det riktigt svårt och mycket utmanande att konstruera kretsar på detta sätt."

Och det är just här den dansk-amerikanska upptäckten kommer mycket väl till pass, förklarar Fabrizio Nichele:"Vi kan nu designa nanotråden på en bärbar dator – och inkludera detaljerna vi går efter. Längre fram kommer produktionskapaciteten utan tvekan att öka – vilket gör att vi kan använda den här tekniken för att konstruera datorer av betydande storlek."

Snabbare väg till Majorana

På Center for Quantum Devices på NBI, fokus ligger mycket på konstruktionen av en kvantdator. Ändå är det ett långt tag – kvantdatorn är inte på något sätt precis runt hörnet, säger Fabrizio

Nichele:"Material med Majorana-egenskaper har uppenbarligen ett antal relevanta egenskaper i det här sammanhanget - det är därför vi försöker undersöka detta område genom olika experiment."

Vissa av dessa experiment utförs vid temperaturer strax över absoluta nollpunkten (-273, 15 C), förklarar Fabrizio Nichele:"När du gör det - vilket naturligtvis kräver utrustning som är skräddarsydd för experiment av det här slaget - kan du studera detaljer relaterade till kvantegenskaper i olika material. När det gäller att konstruera en kvantdator, Majorana-partiklar gör, dock, representerar bara ett av ett antal möjliga och lovande alternativ. Detta område är mycket komplext – och när, någon dag, en kvantdator har verkligen konstruerats och är igång, det kan mycket väl vara baserat på någon form av integration av ett antal olika tekniker och olika material, varav några kan vara baserade på vår forskning, säger Fabrizio Nichele.

Forskare som arbetar med Ettore Majoranas ekvationer av helt andra skäl än önskan att bygga en kvantdator, kan också dra nytta av den dansk-amerikanska forskningen, förklarar Fabrizio Nichele:

"Vår teknik gör det möjligt att genomföra experiment som hittills inte varit genomförbara - vilket också kommer att underlätta förståelsen av själva Majorana-partikeln."

Forskningsprojektet har finansierats av Danmarks Nationalforskningsfond, Villums stiftelse, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) och—representerar den kommersiella givarsidan—Microsoft; den senare ansluter sig till projektet som en del av ett väletablerat samarbete med NBI.

Förutom att samarbeta med kollegor från Purdue University, NBI-forskarna har också nyligen studerat Majorana-fastigheter i samarbete med forskare från University of California, Santa Barbara, USA. Resultaten av detta projekt publiceras i en separat artikel i Fysiska granskningsbrev .