Lika mystisk som den italienska vetenskapsman som den är uppkallad efter, Majorana-partikeln är en av fysikens mest övertygande uppdrag.

Dess berömmelse härrör från dess konstiga egenskaper - det är den enda partikeln som är dess egen antipartikel - och från dess potential att utnyttjas för framtida kvantberäkningar.

På senare år har en handfull grupper inklusive ett team på Princeton har rapporterat att de hittat Majorana i olika material, men utmaningen är hur man manipulerar den för kvantberäkning.

I en ny studie publicerad i veckan, Princeton-teamet rapporterar ett sätt att kontrollera Majorana-kvasipartiklar i en miljö som också gör dem mer robusta. Inställningen - som kombinerar en supraledare och ett exotiskt material som kallas en topologisk isolator - gör Majoranas särskilt motståndskraftiga mot förstörelse av värme eller vibrationer från den yttre miljön. Vad är mer, teamet visade ett sätt att slå på eller stänga av Majorana med hjälp av små magneter integrerade i enheten. Rapporten publicerades i tidskriften Vetenskap .

"Med denna nya studie har vi nu ett nytt sätt att konstruera Majorana kvasipartiklar i material, sa Ali Yazdani, Klass av 1909 professor i fysik och senior författare på studien. "Vi kan verifiera deras existens genom att avbilda dem och vi kan karakterisera deras förutspådda egenskaper."

Majorana är uppkallad efter fysikern Ettore Majorana, som förutspådde partikelns existens 1937 bara ett år innan den mystiskt försvann under en färjeresa utanför den italienska kusten. Byggande på samma logik som fysikern Paul Dirac förutspådde 1928 att elektronen måste ha en antipartikel, senare identifierad som positron, Majorana teoretiserade förekomsten av en partikel som är dess egen antipartikel.

Vanligtvis när materia och antimateria möts, de förintar varandra i ett våldsamt frigörande av energi, men Majoranas, när de visas som par vardera i vardera änden av specialdesignade ledningar, kan vara relativt stabila och interagera svagt med sin omgivning. Paren möjliggör lagring av kvantinformation på två distinkta platser, vilket gör dem relativt robusta mot störningar eftersom att ändra kvanttillståndet kräver operationer i båda ändarna av tråden samtidigt.

Denna förmåga har fängslat teknologer som föreställer sig ett sätt att göra kvantbitar – enheterna för kvantberäkningar – som är mer robusta än nuvarande tillvägagångssätt. Kvantsystem är uppskattade för sin potential att ta itu med problem som är omöjliga att lösa med dagens datorer, men de kräver att upprätthålla ett bräckligt tillstånd som kallas superposition, som om den störs, kan resultera i systemfel.

En Majorana-baserad kvantdator skulle lagra information i par av partiklar och utföra beräkningar genom att fläta dem runt varandra. Resultaten av beräkningen skulle bestämmas genom förintelse av Majoranas med varandra, vilket kan resultera i antingen uppkomsten av en elektron (upptäckt av dess laddning) eller ingenting, beroende på hur paret Majoranas har flätats. Det probabilistiska resultatet av Majorana-parförintelsen ligger till grund för dess användning för kvantberäkning.

Utmaningen är hur man skapar och enkelt kontrollerar Majoranas. En av platserna där de kan existera är i ändarna av en enatomtjock kedja av magnetiska atomer på en supraledande bädd. Under 2014, rapporterar in Vetenskap , Yazdani och medarbetare använde ett scanning tunneling microscope (STM), där en spets dras över atomer för att avslöja närvaron av kvasipartiklar, att hitta Majoranas i båda ändarna av en kedja av järnatomer som vilar på ytan av en supraledare.

Teamet fortsatte med att upptäcka Majoranas kvant "spin, " en egenskap som delas av elektroner och andra subatomära partiklar. I en rapport publicerad i Science 2017, teamet uppgav att Majoranas spin-egenskap är en unik signal för att fastställa att en detekterad kvasipartikel verkligen är en Majorana.

I denna senaste studie, teamet utforskade en annan förutspådd plats för att hitta Majoranas:i kanalen som bildas vid kanten av en topologisk isolator när den placeras i kontakt med en supraledare. Supraledare är material i vilka elektroner kan färdas utan motstånd, och topologiska isolatorer är material där elektroner flyter endast längs kanterna.

Teorin förutspår att Majorana-kvasipartiklar kan bildas vid kanten av ett tunt ark av topologisk isolator som kommer i kontakt med ett block av supraledande material. Närheten till supraledaren coaxerar elektroner att flöda utan motstånd längs den topologiska isolatorkanten, som är så tunn att den kan ses som en tråd. Eftersom Majoranas bildas i änden av trådar, det ska vara möjligt att få dem att synas genom att klippa av tråden.

"Det var en förutsägelse, och den har bara suttit där i alla dessa år, ", sa Yazdani. "Vi bestämde oss för att undersöka hur man faktiskt kunde göra den här strukturen på grund av dess potential att göra Majoranas som skulle vara mer robusta mot materialfel och temperatur."

Teamet byggde strukturen genom att förånga ett tunt ark av vismut topologisk isolator ovanpå ett block av niob supraledare. De placerade nanometerstora magnetiska minnesbitar på strukturen för att ge ett magnetfält, som spårar ur flödet av elektroner, ger samma effekt som att skära av tråden. De använde STM för att visualisera strukturen.

När de använder sitt mikroskop för att jaga efter Majorana, dock, forskarna var först förbryllade över vad de såg. En del av tiden såg de Majorana dyka upp, och andra gånger kunde de inte hitta den. Efter ytterligare utforskning insåg de att Majorana endast dyker upp när de små magneterna magnetiseras i riktningen parallellt med elektronflödets riktning längs kanalen.

"När vi började karakterisera de små magneterna, vi insåg att de är kontrollparametern, " sa Yazdani. "Sättet som magnetiseringen av biten är orienterad avgör om Majorana visas eller inte. Det är en på-av-knapp."

Teamet rapporterade att Majorana-kvasipartikeln som bildas i detta system är ganska robust eftersom den förekommer vid energier som skiljer sig från de andra kvasipartiklarna som kan existera i systemet. Robustheten härrör också från dess bildning i ett topologiskt kantläge, som i sig är resistent mot störningar. Topologiska material har fått sitt namn från den gren av matematik som beskriver hur föremål kan deformeras genom att sträcka sig eller böjas. Elektroner som strömmar i ett topologiskt material kommer således att fortsätta att röra sig runt alla bucklor eller defekter.