Forskare vid Princeton University har upptäckt en unik kvantegenskap hos en svårfångad partikel som är anmärkningsvärd för att bete sig samtidigt som materia och antimateria. Partikeln, känd som Majorana fermion, är prisad av forskare för sin potential att öppna dörrarna till nya kvantberäkningsmöjligheter.

I studien som publicerades i veckan i tidskriften Vetenskap , forskargruppen beskrev hur de förbättrade en befintlig bildteknik, kallas skanningstunnelmikroskopi, för att fånga signaler från Majorana -partikeln i båda ändar av en atomtunn järntråd sträckt på ytan av en kristall av bly. Deras metod involverade att upptäcka en distinkt kvantegenskap som kallas spin, som har föreslagits för att överföra kvantinformation i kretsar som innehåller Majorana-partikeln.

"Spinegenskapen hos Majoranas skiljer dem från andra typer av kvasipartiklar som uppstår i material, "sade Ali Yazdani, Princetons klass 1909 professor i fysik. "Den experimentella upptäckten av den här egenskapen ger en unik signatur av denna exotiska partikel."

Fyndet bygger på teamets upptäckt 2014, publiceras också i Vetenskap , av Majorana fermion i en enda atombred kedja av järnatomer ovanpå ett blysubstrat. I den studien, scanningstunnelmikroskopet användes för att visualisera Majoranas för första gången, men gav inga andra mätningar av deras egenskaper.

"Vårt mål har varit att undersöka några av de specifika kvantegenskaperna hos Majoranas. Sådana experiment ger inte bara ytterligare bekräftelse på deras existens i våra kedjor, men öppna upp möjliga sätt att använda dem. "sa Yazdani.

Teoretiserades först i slutet av 1930 -talet av den italienska fysikern Ettore Majorana, partikeln är fascinerande eftersom den fungerar som sin egen antipartikel. De senaste åren, forskare har insett att de kan konstruera endimensionella ledningar, såsom kedjorna av atomer på den supraledande ytan i den aktuella studien, att få Majorana fermioner att växa fram i fasta ämnen. I dessa trådar, Majoranas förekommer som par i vardera änden av kedjorna, förutsatt att kedjorna är tillräckligt långa för att majoranerna ska hålla sig tillräckligt långt ifrån varandra så att de inte förstör varandra. I ett kvantberäkningssystem, information kan lagras samtidigt i båda ändarna av tråden, ger en robusthet mot yttre störningar till de inneboende sköra kvanttillstånden.

Tidigare experimentella försök att upptäcka Majoranas har använt det faktum att det är både en partikel och en antipartikel. Den signalerande signalen kallas en noll-bias-topp i en kvanttunnelmätning. Men studier har visat att sådana signaler också kan uppstå på grund av ett par vanliga kvasipartiklar som kan uppstå i supraledare. Professor i fysik Andrei Bernevig och hans team, som tillsammans med Yazdanis grupp föreslog atomkedjeplattformen, utvecklat teorin som visade att spinnpolariserade mätningar gjorda med ett skanningstunnelmikroskop kan skilja mellan förekomsten av ett par vanliga kvasipartiklar och en Majorana.

Vanligtvis, skanning av tunnelmikroskopi (STM) innebär att man drar en fintippad elektrod över en struktur, i detta fall kedjan av järnatomer, och detektera dess elektroniska egenskaper, från vilken en bild kan konstrueras. För att utföra spinnkänsliga mätningar, forskarna skapar elektroder som är magnetiserade i olika riktningar. Dessa "spin-polariserade" STM-mätningar avslöjade signaturer som stämmer överens med de teoretiska beräkningarna av Bernevig och hans team.

"Det visar sig att, till skillnad från fallet med en konventionell kvasipartikel, Spinn av Majorana kan inte sållas bort av bakgrunden. I denna mening är det ett lakmusprov för närvaron av Majorana -staten, Sa Bernevig.

Majoranas kvantspinnegenskap kan också göra dem mer användbara för tillämpningar inom kvantinformation. Till exempel, ledningar med Majoranas i vardera änden kan användas för att överföra information mellan långt borta kvantbitar som är beroende av elektronernas spinn. Förvirring av snurr av elektroner och Majoranas kan vara nästa steg i att utnyttja deras egenskaper för kvantinformationsöverföring.