Ett gemensamt team av forskare vid University of California, Riverside, och Massachusetts Institute of Technology närmar sig att bekräfta existensen av en exotisk kvantpartikel som kallas Majorana fermion, avgörande för feltolerant kvantberäkning — den typ av kvantberäkning som åtgärdar fel under dess drift.

Kvantberäkning använder kvantfenomen för att utföra beräkningar. Majorana-fermioner finns på gränsen till speciella supraledare som kallas topologiska supraledare, som har ett supraledande gap i sitt inre och har Majorana-fermioner utanför, vid sina gränser. Majorana fermioner är ett av de mest eftertraktade objekten inom kvantfysiken eftersom de är deras egna antipartiklar, de kan dela en elektrons kvanttillstånd på mitten, och de följer olika statistik jämfört med elektroner. Även om många har hävdat att de har identifierat dem, forskare kan fortfarande inte bekräfta deras exotiska kvantnatur.

UCR-MIT-teamet övervann utmaningen genom att utveckla ett nytt heterostrukturmaterialsystem, baserat på guld, som potentiellt skulle kunna användas för att demonstrera förekomsten och kvantnaturen hos Majorana-fermioner. Heterostrukturmaterial består av lager av drastiskt olika material som, tillsammans, visar helt olika funktioner jämfört med deras individuella lager.

"Det är mycket otrivialt att hitta ett materialsystem som naturligt är en topologisk supraledare, sa Peng Wei, en biträdande professor i fysik och astronomi och en experimentell med kondenserad materia, som ledde studien, dyker upp i Fysiska granskningsbrev , med Jagadeesh Moodera och Patrick Lee från MIT. "Ett material måste uppfylla flera stränga villkor för att bli en topologisk supraledare."

Majorana fermion, anses vara hälften av en elektron, förutspås finnas i ändarna av en topologisk supraledare nanotråd. Intressant, två Majorana-fermioner kan kombineras med varandra för att bilda en elektron, tillåter att elektronens kvanttillstånd lagras icke-lokalt - en fördel för feltolerant kvantberäkning.

Under 2012, MIT teoretiker, ledd av Lee, förutspådde att heterostrukturer av guld kan bli en topologisk supraledare under strikta förhållanden. Experiment gjorda av UCR-MIT-teamet har uppnått alla nödvändiga förutsättningar för heterostrukturer av guld.

"Att uppnå en sådan heterostruktur är mycket krävande eftersom flera materialfysiska utmaningar behövde åtgärdas först, sa Wei, en UCR-alun som återvände till campus 2016 från MIT.

Wei förklarade att forskningsdokumentet visar supraledning, magnetism, och elektronernas spin-orbit-koppling kan samexistera i guld – en svår utmaning att möta – och manuellt blandas med andra material genom heterostrukturer.

"Supraledning och magnetism existerar vanligtvis inte i samma material, " han sa.

Guld är inte en supraledare, han lade till, och inte heller elektrontillstånden på dess yta.

"Vårt papper visar för första gången att supraledning kan föras till guldets yttillstånd, kräver ny fysik, " sa han. "Vi visar att det är möjligt att göra guldets yttillstånd till en supraledare, som aldrig har visats tidigare."

Forskningsdokumentet visar också att elektrontätheten för supraledning i guldets yttillstånd kan ställas in.

"Detta är viktigt för framtida manipulation av Majorana-fermioner, krävs för bättre kvantberäkning, " sa Wei. "Också, guldets yttillstånd är ett tvådimensionellt system som är naturligt skalbart, vilket betyder att det tillåter byggandet av Majorana fermionkretsar."

Förutom Wei, Moodera, och Lee, i forskargruppen ingår också Sujit Manna och Marius Eich från MIT.