Kombinationen av olika faser av vatten - fast is, flytande vatten, och vattenånga – skulle kräva viss ansträngning för att uppnå experimentellt. Till exempel, om du ville placera is bredvid ånga, du skulle behöva kyla vattnet kontinuerligt för att bibehålla den fasta fasen samtidigt som du värmde upp det för att bibehålla gasfasen.

För fysiker av kondenserad materia, denna förmåga att skapa olika förutsättningar i samma system är önskvärd eftersom intressanta fenomen och egenskaper ofta dyker upp i gränssnitten mellan två faser. Av aktuellt intresse är de förhållanden under vilka Majorana-fermioner kan dyka upp nära dessa gränser.

Majorana-fermioner är partikelliknande excitationer som kallas kvasipartiklar som uppstår som ett resultat av fraktionering (delning) av individuella elektroner i två halvor. Med andra ord, en elektron blir ett intrasslat (länkat) par av två Majorana kvasipartiklar, med länken kvar oavsett avståndet mellan dem. Forskare hoppas kunna använda Majorana-fermioner som är fysiskt separerade i ett material för att tillförlitligt lagra information i form av qubits, byggstenarna i kvantdatorer. Majoranas exotiska egenskaper – inklusive deras höga okänslighet för elektromagnetiska fält och annat miljöbrus – gör dem till idealiska kandidater för att bära information över långa avstånd utan förlust.

Dock, hittills, Majorana-fermioner har bara realiserats i material under extrema förhållanden, inklusive vid kyliga temperaturer nära absolut noll (−459 grader Fahrenheit) och under höga magnetfält. Och även om de är "topologiskt" skyddade från lokala atomära föroreningar, oordning, och defekter som finns i alla material (dvs. deras rumsliga egenskaper förblir desamma även om materialet böjs, vriden, sträckt, eller på annat sätt förvrängd), de överlever inte under starka störningar. Dessutom, intervallet av temperaturer över vilka de kan arbeta är mycket snävt. Av dessa anledningar, Majorana-fermioner är ännu inte redo för praktisk teknisk tillämpning.

Nu, ett team av fysiker ledda av det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory och inklusive medarbetare från Kina, Tyskland, och Nederländerna har föreslagit en ny teoretisk metod för att producera mer robusta Majorana-fermioner. Enligt deras beräkningar, som beskrivs i en tidning publicerad den 15 januari in Fysiska granskningsbrev , dessa Majoranas dyker upp vid högre temperaturer (i många storleksordningar) och är i stort sett opåverkade av oordning och buller. Även om de inte är topologiskt skyddade, de kan bestå om störningarna långsamt ändras från en punkt till en annan i rymden.

"Våra numeriska och analytiska beräkningar ger bevis på att Majorana-fermioner finns i gränserna för magnetiska material med olika magnetiska faser, eller riktningar för elektronsnurr, placerade bredvid varandra, " sa medförfattaren Alexei Tsvelik, senior vetenskapsman och ledare för The Condensed Matter Theory Group i Brookhaven Labs avdelning för kondenserad materia fysik och materialvetenskap (CMPMS). "Vi bestämde också antalet Majorana-fermioner du kan förvänta dig att få om du kombinerar vissa magnetiska faser."

För sina teoretiska studier, forskarna fokuserade på magnetiska material som kallas spinnstegar, som är kristaller bildade av atomer med en tredimensionell (3-D) struktur uppdelad i par av kedjor som ser ut som stegar. Även om forskarna har studerat egenskaperna hos spinnstegesystem i många år och förväntade sig att de skulle producera Majorana-fermioner, de visste inte hur många. För att utföra sina beräkningar, de tillämpade det matematiska ramverket för kvantfältteorin för att beskriva elementarpartiklarnas grundläggande fysik, och en numerisk metod (densitets-matrisrenormaliseringsgrupp) för att simulera kvantsystem vars elektroner beter sig på ett starkt korrelerat sätt.

"Vi blev förvånade över att lära oss att för vissa konfigurationer av magnetiska faser kan vi generera mer än en Majorana-fermion vid varje gräns, " sa medförfattare och CMPMS-avdelningsordförande Robert Konik.

För att Majorana-fermioner ska vara praktiskt användbara i kvantberäkning, de måste genereras i stort antal. Dataexperter tror att den lägsta tröskeln vid vilken kvantdatorer kommer att kunna lösa problem som klassiska datorer inte kan är 100 qubits. Majorana-fermionerna måste också vara rörliga på ett sådant sätt att de kan trassla in sig.

Teamet planerar att följa upp sin teoretiska studie med experiment som använder konstruerade system som kvantprickar (halvledande partiklar i nanostorlek) eller fångade (slutna) joner. Jämfört med egenskaperna hos verkliga material, de hos konstruerade kan lättare ställas in och manipuleras för att introducera de olika fasgränserna där Majorana-fermioner kan dyka upp.

"Vad nästa generation av kvantdatorer kommer att vara gjord av är oklart just nu, ", sa Konik. "Vi försöker hitta bättre alternativ till lågtemperatursupraledaren i den nuvarande generationen, liknande hur kisel ersatte germanium i transistorer. Vi är i ett så tidigt skede att vi måste undersöka alla tillgängliga möjligheter."