Nanotråden är upphängd mellan två metallledare (lila). Superledaren tillverkad av aluminium (blå) täcker en del av den och lämnar ett gap av exponerad innertråd av indium och arsenik (orange). I installationen med den lilla korsningen, forskarna förväntade sig att se de separerade "halvelektronerna" i den exponerade superledaren-illustrerad av porträtt av Ettore Majorana, de italienska fysikerna som de namngavs för. Men de hittade ingenting. I installationen med den stora korsningen, trådens exponerade kärna bildade en kvantpunkt och dess elektroner interagerade med elektronerna i superledarbeläggningen som bildade den härmande signalen. Upphovsman:IST Austria
Kvantdatorer lovar stora framsteg inom många områden - från kryptografi till simulering av proteinvikning. Än, vilket fysiskt system som fungerar bäst för att bygga de underliggande kvantbitarna är fortfarande en öppen fråga. Till skillnad från vanliga bitar i din dator, dessa så kallade qubits kan inte bara ta värdena 0 och 1, men också blandningar av de två. Även om detta potentiellt gör dem mycket användbara, de blir också väldigt instabila.
Ett sätt att lösa detta problem satsar på topologiska qubits som kodar informationen i deras rumsliga arrangemang. Det kan ge en mer stabil och felresistent grund för beräkning än andra inställningar. Problemet är att ingen någonsin definitivt har hittat en topologisk qubit än.
Ett internationellt team av forskare från Österrike, Köpenhamn, och Madrid runt Marco Valentini från Nanoelectronics-gruppen vid IST Austria har nu undersökt en installation som förutspåddes producera de så kallade Majorana-nollägena-kärningrediensen för en topologisk qubit. De fann att en giltig signal för sådana lägen faktiskt kan vara en falsk flagga.
Hälften av en elektron
Den experimentella uppsättningen består av en liten tråd som bara är några hundra nanometer - några miljoner miljondelar - lång, odlad av Peter Krogstrup från Microsoft Quantum och University of Copenhagen. Dessa lämpligt kallade nanotrådar bildar en fritt flytande anslutning mellan två metallledare på ett chip. De är belagda med ett supraledande material som tappar allt elektrisk motstånd vid mycket låga temperaturer. Beläggningen går ända upp till en liten del kvar i trådens ena ände, som utgör en avgörande del av upplägget:korsningen. Hela utrustningen exponeras sedan för ett magnetfält.
Tryckt kretskort för montering av nanotrådsprovet. Upphovsman:IST Austria
Forskarnas teorier förutspådde att Majorana nollägen - grunden för den topologiska qubit de letade efter - skulle dyka upp i nanotråden. Dessa Majorana -nollägen är ett konstigt fenomen, eftersom de började som ett matematiskt trick för att beskriva en elektron i tråden som består av två halvor. Vanligtvis, fysiker tänker inte på elektroner som något som kan delas, men med hjälp av denna nanotrådsinställning borde det ha varit möjligt så separera dessa "halvelektroner" och använda dem som qubits.
"Vi var glada över att arbeta med denna mycket lovande materialplattform, "förklarar Marco Valentini, som började på IST Austria som praktikant innan han blev doktorand. student i gruppen Nanoelektronik. "Det vi förväntade oss att se var signalen från Majorana -nollägen i nanotråden, men vi hittade ingenting. Först, vi var förvirrade, då frustrerad. Så småningom, och i nära samarbete med våra kollegor från gruppen Theory of Quantum Materials and Solid State Quantum Technologies i Madrid, vi undersökte upplägget, och fick reda på vad som var fel med det. "
En falsk flagga
Efter att ha försökt hitta signaturerna för Majorana -nollägena, forskarna började variera nanotrådsinställningarna för att kontrollera om några effekter från dess arkitektur stör deras experiment. "Vi gjorde flera experiment på olika inställningar för att ta reda på vad som gick fel, "Förklarar Valentini." Det tog ett tag, men när vi fördubblade längden på den obelagda korsningen från hundra nanometer till tvåhundra, vi hittade vår skyldige. "
Marco Valentini arbetar i labbet. Upphovsman:IST Austria
När korsningen var tillräckligt stor hände följande:Den exponerade inre nanotråden bildade en så kallad kvantpunkt-en liten fläck materia som visar speciella kvantmekaniska egenskaper på grund av dess begränsade geometri. Elektronerna i denna kvantpunkt kan sedan interagera med de i beläggningens superledare bredvid den, och därmed efterlikna signalen från "halvelektronerna"-Majorana-nollägena-som forskarna letade efter.
"Denna oväntade slutsats kom efter att vi fastställt den teoretiska modellen för hur kvantpunkten interagerar med superledaren i ett magnetfält och jämförde experimentella data med detaljerade simuleringar utförda av Fernando Peñaranda, en doktorsexamen student i Madrid -laget, säger Valentini.
"Att missuppfatta denna efterliknande signal för ett Majorana -nolläge visar oss hur försiktiga vi måste vara i våra experiment och i våra slutsatser, "Valentini varnar." Även om det här kan verka som ett steg tillbaka i sökandet efter Majorana -nollägen, det är faktiskt ett avgörande steg framåt för att förstå nanotrådar och deras experimentella signaler. Detta resultat visar att cykeln av upptäckt och kritisk undersökning bland internationella kamrater är central för att främja vetenskaplig kunskap. "
