Majorana -partiklar är mycket speciella medlemmar i familjen elementära partiklar. Först förutspåddes 1937 av den italienska fysikern Ettore Majorana, dessa partiklar tillhör gruppen av så kallade fermioner, en grupp som också innehåller elektroner, neutroner och protoner. Majorana fermioner är elektriskt neutrala och också sina egna antipartiklar. Dessa exotiska partiklar kan, till exempel, framträder som kvasipartiklar i topologiska superledare och representerar idealiska byggstenar för topologiska kvantdatorer.

Gå till två dimensioner

På vägen till sådana topologiska kvantdatorer baserade på Majorana kvasipartiklar, fysiker från University of Würzburg tillsammans med kollegor från Harvard University (USA) har tagit ett viktigt steg:Medan tidigare experiment inom detta område mest har fokuserat på endimensionella system, teamen från Würzburg och Harvard har lyckats gå till tvådimensionella system.

I detta samarbete, grupperna av Ewelina Hankiewicz (Theoretische Physik IV) och Laurens Molenkamp (Experimentelle Physik III) från Würzburgs universitet samarbetade med grupperna Amir Yacoby och Bertrand Halperin från Harvard University. Deras resultat presenteras i det aktuella numret av den vetenskapliga tidskriften Natur .

Två superledare kan förenkla saker

"Att inse Majorana fermioner är ett av de mest intensivt studerade ämnena i kondenserad fysik, "Säger Ewelina Hankiewicz. Enligt henne, tidigare insikter har vanligtvis fokuserat på endimensionella system som nanotrådar. Hon förklarar att en manipulation av Majorana fermioner är mycket svår i dessa inställningar. Det skulle därför kräva betydande ansträngningar för att göra Majorana fermioner i dessa inställningar så småningom tillämpliga för kvantberäkning.

För att undvika några av dessa svårigheter, forskarna har studerat Majorana fermioner i ett tvådimensionellt system med stark koppling. "Systemet vi undersöker är en så kallad fasstyrd Josephson-korsning, det är, två superledare som är åtskilda av ett normalt område, "Laurens Molenkamp förklarar. Den supraledande fasskillnaden mellan de två superledarna ger en extra vred, vilket gör en invecklad finjustering av de andra systemparametrarna åtminstone delvis onödig.

Viktigt steg mot en förbättrad kontroll

I det studerade materialet, en kvicksilver-telluridkvantum väl kopplad till supraledande tunnfilmsaluminium, fysikerna observerade för första gången en topologisk fasövergång som innebär utseendet av Majorana fermioner i fasstyrda Josephson-korsningar.

Uppsättningen som utförs experimentellt här utgör en mångsidig plattform för skapandet, manipulation och kontroll av Majorana fermioner, vilket ger flera fördelar jämfört med tidigare endimensionella plattformar. Enligt Hankiewicz, "detta är ett viktigt steg mot en förbättrad kontroll av Majorana fermioner." Beviset på konceptet med en topologisk superledare baserad på en tvådimensionell Josephson-korsning öppnar nya möjligheter för forskningen om Majorana fermioner inom fysik av kondenserad materia. Särskilt, flera begränsningar av tidigare insikter om Majorana fermioner kan undvikas.

Potentiell revolution inom datorteknik

På samma gång, en förbättrad kontroll av Majorana fermioner representerar ett viktigt steg mot topologiska kvantdatorer. Teoretiskt sett sådana datorer kan vara betydligt kraftfullare än konventionella datorer. De har därmed potential att revolutionera datorteknik.

Nästa, forskarna planerar att förbättra Josephson -korsningarna och gå mot korsningar med smalare normala regioner. Här, fler lokaliserade Majorana fermioner förväntas. De studerar vidare ytterligare möjligheter att manipulera Majorana fermioner, till exempel, genom att använda andra halvledare.