I det senaste experimentet i sitt slag, forskare har fångat de mest övertygande bevisen hittills på att ovanliga partiklar lurar inuti en speciell sorts supraledare. Resultatet, som bekräftar teoretiska förutsägelser som först gjordes för nästan ett decennium sedan vid Joint Quantum Institute (JQI) och University of Maryland (UMD), kommer att publiceras i 5 april numret av Natur .

Fripassagerarna, kallade Majorana kvasipartiklar, skiljer sig från vanlig materia som elektroner eller kvarkar – det som utgör elementen i det periodiska systemet. Till skillnad från dessa partiklar, som så vitt fysiker vet inte kan brytas ner i mer grundläggande delar, Majorana kvasipartiklar uppstår från koordinerade mönster av många atomer och elektroner och uppträder endast under speciella förhållanden. De är utrustade med unika egenskaper som kan göra det möjligt för dem att utgöra ryggraden i en typ av kvantdator, och forskare har jagat efter dem i flera år.

Det senaste resultatet är det mest lockande hittills för Majorana-jägare, bekräftar många teoretiska förutsägelser och lägger grunden för mer förfinade experiment i framtiden. I det nya verket, forskare mätte den elektriska strömmen som passerade genom en ultratunn halvledare kopplad till en remsa av supraledande aluminium - ett recept som förvandlar hela kombinationen till en speciell sorts supraledare.

Experiment av denna typ exponerar nanotråden för en stark magnet, som låser upp ett extra sätt för elektroner i tråden att organisera sig vid låga temperaturer. Med detta extra arrangemang förutsägs tråden vara värd för en Majorana-kvasipartikel, och experimenterande kan leta efter dess närvaro genom att noggrant mäta trådens elektriska respons.

Det nya experimentet utfördes av forskare från QuTech vid Technical University of Delft i Nederländerna och Microsoft Research, med prover av hybridmaterialet framställt vid University of California, Santa Barbara och Eindhovens tekniska universitet i Nederländerna. Experimentörer jämförde sina resultat med teoretiska beräkningar av JQI Fellow Sankar Das Sarma och JQI doktorand Chun-Xiao Liu.

Samma grupp i Delft såg antydningar om en Majorana 2012, men den uppmätta elektriska effekten var inte så stor som teorin hade förutspått. Nu har den fulla effekten observerats, och det kvarstår även när försöksledare viftar på styrkan hos magnetiska eller elektriska fält – en robusthet som ger ännu starkare bevis för att experimentet har fångat en Majorana, som förutspåtts i noggranna teoretiska simuleringar av Liu.

"Vi har kommit långt från det teoretiska receptet 2010 för hur man skapar Majorana-partiklar i halvledar-supraledarhybridsystem, säger Das Sarma, en medförfattare till tidningen som också är chef för Condensed Matter Theory Center vid UMD. "Men det är fortfarande en bit kvar innan vi kan förklara total seger i vårt sökande efter dessa konstiga partiklar."

Framgången kommer efter år av förfining i sättet som forskare sätter ihop nanotrådarna, leder till renare kontakt mellan halvledartråden och aluminiumremsan. Under samma tid, teoretiker har fått insikt i de möjliga experimentella signaturerna hos Majoranas – arbete som pionjärer av Das Sarma och flera medarbetare vid UMD.

Teori möter experiment

Strävan efter att hitta Majorana kvasipartiklar i tunna kvanttrådar började 2001, sporrad av Alexei Kitaev, sedan fysiker sedan på Microsoft Research. Kitaev, som nu är vid California Institute of Technology i Pasadena, skapade ett relativt enkelt men orealistiskt system som teoretiskt skulle kunna hysa en Majorana. Men den här imaginära tråden krävde en specifik typ av supraledning som inte var tillgänglig från hyllan från naturen, och andra började snart leta efter sätt att imitera Kitaevs grej genom att blanda och matcha tillgängliga material.

En utmaning var att ta reda på hur man skaffar supraledare, som vanligtvis gör sitt jobb med ett jämnt antal elektroner – två, fyra, sex, etc. — för att även tillåta ett udda antal elektroner, en situation som normalt är instabil och kräver extra energi för att underhålla. Det udda talet är nödvändigt eftersom Majorana kvasipartiklar är ogenerade udda kulor:De dyker bara upp i det koordinerade beteendet hos ett udda antal elektroner.

År 2010, nästan ett decennium efter Kitaevs originaltidning, Das Sarma, JQI Fellow Jay Deep Sau och JQI postdoktor Roman Lutchyn , tillsammans med en andra grupp forskare, hittade på en metod för att skapa dessa speciella supraledare, och det har drivit det experimentella sökandet sedan dess. De föreslog att man skulle kombinera en viss typ av halvledare med en vanlig supraledare och mäta strömmen genom det hela. De förutspådde att kombinationen av de två materialen, tillsammans med ett starkt magnetfält, skulle låsa upp Majorana-arrangemanget och ge Kitaevs speciella material.

De förutspådde också att en Majorana kunde avslöja sig i hur ström flyter genom en sådan nanotråd. Om du ansluter en vanlig halvledare till en metalltråd och ett batteri, elektroner har vanligtvis en viss chans att hoppa av tråden på halvledaren och en viss chans att bli avvisad - detaljerna beror på elektronerna och materialets sammansättning. Men om du istället använder en av Kitaevs nanotrådar, något helt annat händer. Elektronen reflekteras alltid perfekt tillbaka in i tråden, men det är inte längre en elektron. Det blir vad forskare kallar ett hål - i princip en fläck i metallen som saknar en elektron - och det bär en positiv laddning tillbaka i motsatt riktning.

Fysiken kräver att strömmen över gränssnittet bevaras, vilket innebär att två elektroner måste hamna i supraledaren för att balansera ut den positiva laddningen på väg åt andra hållet. Det konstiga är att denna process, som fysiker kallar perfekt Andreev-reflektion, händer även när elektroner i metallen inte får någon tryckning mot gränsen – dvs. även när de inte är anslutna till ett slags batteri. Detta är relaterat till det faktum att en Majorana är sin egen antipartikel, vilket betyder att det inte kostar någon energi att skapa ett par Majoranas i nanotråden. Majorana-arrangemanget ger de två elektronerna lite extra utrymme att manövrera och tillåter dem att korsa nanotråden som ett kvantifierat par – det vill säga, exakt två åt gången.

"Det är förekomsten av Majoranas som ger upphov till denna kvantiserade differentialkonduktans, säger Liu, som körde numeriska simuleringar för att förutsäga resultaten av experimenten på UMD:s Deepthought2 superdatorkluster. "Och en sådan kvantisering borde till och med vara robust för små förändringar i experimentella parametrar, som det verkliga experimentet visar."

Forskare hänvisar till denna typ av experiment som tunnelspektroskopi eftersom elektroner tar en kvantväg genom nanotråden till andra sidan. Det har varit i fokus för de senaste försöken att fånga Majoranas, men det finns andra tester som mer direkt skulle kunna avslöja partiklarnas exotiska egenskaper – tester som helt skulle bekräfta att Majoranas verkligen finns där.

"Det här experimentet är ett stort steg framåt i vårt sökande efter dessa exotiska och svårfångade Majorana-partiklar, visar de stora framsteg som gjorts i materialförbättringen under de senaste fem åren, " säger Das Sarma. "Jag är övertygad om att dessa konstiga partiklar finns i dessa nanotrådar, men endast en icke-lokal mätning som fastställer den underliggande fysiken kan göra bevisen definitiva."