Fysiker vid MIT och på andra håll har observerat bevis på Majorana fermioner - partiklar som teoretiseras att också vara deras egna antipartiklar - på ytan av en vanlig metall:guld. Detta är den första observation av Majorana fermioner på en plattform som potentiellt kan skalas upp. Resultaten, publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences , är ett stort steg mot att isolera partiklarna som stabila, felsäkra qubits för kvantberäkning.

Inom partikelfysik, fermioner är en klass av elementära partiklar som innehåller elektroner, protoner, neutroner, och kvarker, som alla utgör materiens byggstenar. För det mesta, dessa partiklar anses vara Dirac fermioner, efter den engelska fysikern Paul Dirac, som först förutspådde att alla fermioniska grundpartiklar skulle ha en motsvarighet, någonstans i universum, i form av en antipartikel - i huvudsak en identisk tvilling med motsatt laddning.

År 1937, den italienska teoretiska fysikern Ettore Majorana utökade Diracs teori, förutsäger att bland fermioner, det borde finnas några partiklar, sedan namnet Majorana fermioner, som inte går att skilja från sina antipartiklar. Mystiskt nog, fysikern försvann under en färjetur utanför den italienska kusten bara ett år efter att han gjorde sin förutsägelse. Forskare har letat efter Majoranas gåtfulla partikel sedan dess. Det har föreslagits, men inte bevisat, att neutrino kan vara en Majorana -partikel. Å andra sidan, teoretiker har förutspått att Majorana fermioner också kan existera i fasta ämnen under speciella förhållanden.

Nu har det MIT-ledda teamet observerat bevis på Majorana fermioner i ett materialsystem som de designat och tillverkat, som består av nanotrådar av guld som odlats ovanpå ett supraledande material, vanadin, och prickad med små, ferromagnetiska "öar" av europiumsulfid. När forskarna skannade ytan nära öarna, de såg signatursignalspikar nära noll energi på den översta ytan av guld som, enligt teorin, bör endast genereras av par Majorana fermioner.

"Majorana ferminoner är dessa exotiska saker, som länge varit en dröm att se, och vi ser dem nu i ett mycket enkelt material - guld, "säger Jagadeesh Moodera, en senior forskare vid MIT:s avdelning för fysik. "Vi har visat att de finns där, och stabil, och lätt skalbar. "

"Nästa tryck blir att ta dessa föremål och göra dem till qubits, vilket skulle vara stora framsteg mot praktisk kvantberäkning, "tillägger medförfattaren Patrick Lee, William och Emma Rogers professor i fysik vid MIT.

Lee och Mooderas medförfattare inkluderar tidigare MIT postdoc och första författare Sujit Manna (för närvarande vid fakulteten vid Indian Institute of Technology i Delhi), och tidigare MIT postdoc Peng Wei från University of California at Riverside, tillsammans med Yingming Xie och Kam Tuen Law vid Hong Kong University of Science and Technology.

Hög risk

Om de kunde utnyttjas, Majorana fermioner skulle vara idealiska som qubits, eller individuella beräkningsenheter för kvantdatorer. Tanken är att en qubit skulle göras av kombinationer av par Majorana fermioner, var och en skulle separeras från sin partner. Om brusfel påverkar en medlem i paret, den andra bör förbli opåverkad, därigenom bevarar integriteten hos qubit och gör det möjligt att korrekt utföra en beräkning.

Forskare har letat efter Majorana fermioner i halvledare, material som används i konventionella, transistorbaserad databehandling. I deras experiment, forskare har kombinerat halvledare med supraledare - material genom vilka elektroner kan färdas utan motstånd. Denna kombination ger konventionella halvledare supraledande egenskaper, som fysiker anser bör få partiklar i halvledaren att splittras, bildar paret Majorana fermioner.

"Det finns flera materialplattformar där människor tror att de har sett Majorana -partiklar, "Lee säger." Beviset är starkare och starkare, men det är fortfarande inte 100 procent bevisat. "

Vad mer, de halvledarbaserade inställningarna hittills har varit svåra att skala upp för att producera de tusentals eller miljoner qubits som behövs för en praktisk kvantdator, eftersom de kräver växande mycket exakta kristaller av halvledande material och det är mycket utmanande att förvandla dessa till högkvalitativa superledare.

För ungefär ett decennium sedan, Lä, arbetade med sin doktorand Andrew Potter, hade en idé:Kanske kan fysiker observera Majorana fermioner i metall, ett material som lätt blir supraledande i närheten av en superledare. Forskare tillverkar rutinmässigt metaller, inklusive guld, till supraledare. Lees idé var att se om guldets yttillstånd - dess allra översta lagret av atomer - kunde fås att vara supraledande. Om detta kunde uppnås, då kunde guld tjäna som en ren, atomiskt exakt system där forskare kunde observera Majorana fermioner.

Lee föreslog, baserat på Mooderas tidigare arbete med ferromagnetiska isolatorer, att om den placerades ovanpå ett supraledande yttillstånd av guld, då borde forskare ha en god chans att tydligt se signaturer av Majorana fermioner.

"När vi först föreslog detta, Jag kunde inte övertyga många experimenter om att prova det, eftersom tekniken var skrämmande, "säger Lee som så småningom samarbetade med Mooderas experimentgrupp för att säkra avgörande finansiering från Templeton Foundation för att förverkliga designen." Jagadeesh och Peng var verkligen tvungna att uppfinna hjulet på nytt. Det var oerhört modigt att hoppa in i det här, för det är verkligen en högrisk, men vi tänker på en hög vinst, sak."

"Hitta Majorana"

Under de senaste åren, forskarna har kännetecknat guldets yttillstånd och bevisat att det kan fungera som en plattform för att observera Majorana fermioner, varefter gruppen började tillverka den installation som Lee tänkt sig för år sedan.

De odlade först ett ark med supraledande vanadin, ovanpå vilka de överlagrade nanotrådar av guldskikt, mäter ca 4 nanometer tjockt. De testade konduktiviteten hos guldets allra översta lager, och fann att det gjorde det, faktiskt, bli supraledande i närheten av vanadin. De deponerade sedan över guld -nanotrådarna "öar" av europiumsulfid, ett ferromagnetiskt material som kan tillhandahålla de nödvändiga inre magnetiska fälten för att skapa Majorana fermioner.

Teamet applicerade sedan en liten spänning och använde skanningstunnelmikroskopi, en specialiserad teknik som gjorde det möjligt för forskarna att skanna energispektrumet runt varje ö på guldytan.

Moodera och hans kollegor letade sedan efter en mycket specifik energisignatur som bara Majorana fermioner skulle producera, om de finns. I vilket superledande material som helst, elektroner färdas genom vid vissa energiområden. Det finns dock en öken, eller "energigap" där det inte ska finnas några elektroner. Om det finns en spik inuti detta gap, det är mycket troligt en signatur av Majorana fermioner.

Tittar igenom deras data, forskarna observerade spikar inuti detta energigap i motsatta ändar av flera öar längs magnetfältets riktning, det var tydliga signaturer av par Majorana fermioner.

"Vi ser bara denna spik på motsatta sidor av ön, som teorin förutsade, "Säger Moodera." Var som helst annars, du ser det inte. "

"I mina samtal, Jag gillar att säga att vi hittar Majorana, på en ö i ett hav av guld, "Lägger Lee till.

Moodera säger att teamets upplägg, kräver bara tre lager - guld inklämt mellan en ferromagnet och en superledare - är en "lätt att uppnå, stabilt system "som också ska vara ekonomiskt skalbart jämfört med konventionella, halvledarbaserade metoder för att generera qubits.

"Att se ett par Majorana fermioner är ett viktigt steg mot att göra en qubit, "Wei säger." Nästa steg är att göra en qubit av dessa partiklar, och vi har nu några idéer för hur vi ska göra. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.