Majoranas är uppkallad efter en italiensk teoretisk fysiker och är komplexa kvasipartiklar som kan vara nyckeln till att bygga nästa generations kvantberäkningssystem.
De flesta material innehåller många elektroner, som var och en har en negativ laddning och en typ av inneboende kvantmomentum som kallas spinn. Interaktioner mellan elektroner i vissa material kan producera emergenta partiklar, eller partiklar som har helt andra egenskaper än elektronerna som består av dem. Exempel inkluderar material där spinn och laddning delar sig och material där laddningsenheten bryts ner i mindre fraktioner.
Majoranas, som faller inom denna kategori av emergenta partiklar, kan existera i vissa typer av supraledare och i ett kvanttillstånd av materia som kallas en spinnvätska. Två Majoranas kombineras för att bilda en elektron, så forskare strävar efter att identifiera material där dessa Majoranas kan existera separat. Att göra det skulle göra det möjligt för forskare att observera den unika förmåga som dessa partiklar uppvisar på egen hand – inklusive effektiva metoder för att lagra och överföra information över stora avstånd.
I strävan efter detta mål har ett team av forskare som inkluderar Harvard Universitys Amir Yacoby, en medlem av Quantum Science Center med huvudkontor vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, publicerat en recensionsartikel i Science om tillståndet på området för Majorana-forskning. QSC är ett DOE National Quantum Information Science Research Center.
Teamet, som består av forskare från Harvard, Princeton University och Free University of Berlin, är fokuserade på att studera Majoranas beteende för att stärka kunskapen om dessa partiklars potentiella tillämpningar och om deras inverkan på grundläggande vetenskapliga fenomen.
"Dessa märkliga partiklar finns bara i vissa material," sa Yacoby. "Så, frågorna är, i vilka material finns de och hur? Och vilka typer av tester kan vi göra för att avgöra om ett visst material har potential att vara värd för Majoranas? Att besvara dessa frågor är en av de största utmaningarna inom detta område. "
I sin uppsats beskriver forskarna framsteg som gjorts under det senaste decenniet och fokuserar främst på de fyra plattformarna som visar lovande för isolering och mätning av Majoranas – nanotrådar, den fraktionerade kvanthalleffekten, topologiska material och Josephson-korsningar.
Nanotrådar, som är det mest studerade alternativet för att realisera Majorana-baserade kvantsystem, är tunna stavar gjorda av ett halvledande material. Ett annat sätt att skapa en atmosfär som är gästvänlig för Majoranas är att möjliggöra den fraktionerade kvanthalleffekten, som uppstår när elektroner rör sig i ett plan som utsätts för ett starkt magnetfält.
Många topologiska material är också potentiella värdar för Majoranas på grund av deras till synes motsägelsefulla struktur av inre regioner som fungerar som elektriska isolatorer och yttre regioner som lätt leder elektricitet. Slutligen består Josephson-övergångar av två supraledare åtskilda av ett normalt stycke metall eller en halvledare. Tidigare QSC-studier har visat att dessa supraledaresmörgåsar kan konstrueras för att bekvämt inhysa Majoranas.
"När vi tillämpar nya tekniker på dessa olika typer av material, vad som ofta händer är att vi upptäcker saker vi inte förväntade oss," sa Yacoby. "En del av vårt mål är att bättre förstå exakt vad vi ser i signaturerna vi observerar."
Denna forskning ligger i linje med QSC-prioriteringar. Forskarna arbetar med andra QSC-medlemmar, inklusive Prineha Narang vid UCLA och Stephen Jesse vid ORNL, för att fortsätta att ta fram nya teoretiska och experimentella metoder som syftar till att screena material för Majoranas.
"Genom QSC har vi kunnat dra nytta av ny teknik som växer fram inom kvantvetenskapen," sa Yacoby. "Dessa inkluderar nya sätt att mäta och sondera materia för att ta fram nya tester som kommer att berätta för oss om ett material är värt att överväga som en möjlig värd för Majoranas eller inte."
