Forskare vid Institutionen för fysik och Cluster of Excellence "CUI:Advanced Imaging of Matter" vid Universität Hamburg och University of California i Irvine har nyligen föreslagit ett nytt sätt att karakterisera topologiska supraledare med hjälp av multi-THz-pulsexperiment.

Detta öppnar en väg för att entydigt identifiera förutspådda exotiska tillstånd av materia och kan hjälpa till vid utformningen av nya material för framtida enheter som bär och bearbetar kvantinformation.

Forskare runt om i världen arbetar med att bygga skalbara kvantdatorer baserade på fast tillståndsmaterial. En sådan klass av material är topologiska supraledare. De påstås vara värda för en speciell typ av kollektivt kvanttillstånd, de icke-abelska anyonerna i form av Majorana-fermioner vid sina gränser. Genom att blanda runt dessa kvasipartiklar i nätverk av kvanttrådar kan forskare konstruera logiska kvantportar, kvantdatorernas byggstenar.

Mass i stället för gränsegenskaper

Tidiga signaturer på förekomsten av Majoranas rapporterades på basis av mätningar av kvanttransport, men senare visade sig dessa studier vara opålitliga eftersom Majoranas lätt kan förväxlas med triviala gränsexcitationer. Den nya teorin har ett annat tillvägagångssätt. Istället för att undersöka Majoranas vid enhetens gränser, adresseras bulkmaterialet. På grund av den så kallade "bulk-boundary-korrespondensen" är Majoranas intimt kopplade till topologin för bulkbandstrukturen hos supraledaren. I någon mening upplever partikelexcitationerna i bulkmaterialet en "twist" med Majoranas vid gränserna. Denna starka sammanlänkning kan studeras med hjälp av tvådimensionell THz-spektroskopi, en teknik som ofta används i molekyler och bulkmaterial.

"Till skillnad från 'linjär' absorptionsspektroskopi tillåter ickelinjära multipulsexperiment oss att studera det optiska svaret hos exciterade partiklar och på så sätt hjälpa till att avslöja denna 'vridning' tydligt, med unika signaturer av det exotiska topologiska tillståndet i 2D-spektra, säger prof. Dr Michael Thorwart från Universität Hamburg och vetenskapsman i Cluster of Excellence.

Visas i Physical Review Letters , formulerar teoriförslaget ett viktigt steg mellan upptäckten av de mest grundläggande men inte helt karakteristiska egenskaperna hos Majoranas och den ändå alltför ambitiösa demonstrationen av de logiska grindoperationerna med icke-abelska anyoner i form av flätning av Majorana-tillstånd.

"Sådana optiska tekniker ger spektroskopisk information bortom bildåtergivning och möjliggör en otvivelaktig karakterisering av topologiska material. Som sådan kan de bygga en bro till sina avlägsna tillämpningar inom kvantteknologi", tillägger Felix Gerken, huvudförfattare och Ph.D. student vid CUI-Graduate School of the Cluster of Excellence. + Utforska vidare

Majorana-fermioner har potential för informationsteknologi utan motstånd