Forskare vid Delft University of Technology har nyligen genomfört en studie som undersöker interaktion mellan spin-orbit i Majorana nanotrådar. Deras studie, publicerad i Fysiska granskningsbrev , är den första som tydligt visar mekanismen som möjliggör skapandet av den svårfångade Majorana -partikeln, som skulle kunna bli byggstenen i en mer stabil typ av kvantdator.

"Vår forskning syftar till experimentell verifiering av det teoretiskt föreslagna Majorana-nolläget, "Jouri Bommer, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org via e -post. "Denna partikel, som är dess egen antipartikel, är av särskilt intresse, eftersom det förutses vara användbart för att utveckla en topologisk kvantdator. "

Kvantberäkning är ett lovande område inom datavetenskap som utforskar användningen av kvantmekaniska fenomen och kvanttillstånd för att lagra information och lösa beräkningsproblem. I framtiden, kvantdatorer kan hantera problem som traditionella beräkningsmetoder inte kan lösa, till exempel möjliggör beräkning och deterministisk design av nya läkemedel och molekyler.

Även om dessa datorer kan ha anmärkningsvärda fördelar, de flesta metoder för kvantberäkning lider av en känslighet för brus som är känd som "dekoherens". Forskare har därför utvecklat en ny typ av kvantdator som bygger på Majorana -partiklar, som i sig är skyddade från buller. Detta "topologiska" skydd kräver supraledning, ett fenomen som möjliggör avledningsfri elektrisk ström.

"Genom att koda kvantinformation till den topologiska egenskapen för Majorana -nollägen, dekoherensfelet/problemet kan lösas från den grundläggande enhetsnivån, "Bommer förklaras." Det här nya systemet är till sin natur skyddat från buller, ett problem som plågar alternativa metoder för kvantberäkning. Det topologiska skyddet mot buller är ungefär som att lagra information som en knut i ett rep:genom att skaka repet lätt, knuten kommer inte att lösas."

Skapandet av Majoranas bygger på ett magnetfält, vilket i allmänhet är oförenligt med supraledning; ett bestämt krav på Majoranas. En lösning för att övervinna denna begränsning är att utnyttja interaktionen mellan elektronernas rörelse med sina inre "magneter, "ett fenomen som kallas spin-orbit-interaktion. I närvaro av denna interaktion, ett material känner inte det magnetiska fältet som krävs av Majoranas lika starkt, vilket möjliggör supraledning.

"Tidigare forskning har visat signaturer som stöder förekomsten av Majorana nolllägen, även om det till denna dag har förekommit en betydande debatt om dessa experimentella signaturer kan efterliknas av andra fysiska fenomen, " Bommer förklarade. "I vår senaste publikation, vi tar ett annat tillvägagångssätt och undersöker förutsättningarna för att skapa ett Majorana-nolläge. För att skapa en Majorana, vi behöver en halvledar nanotråd som i sig har spin-orbit-interaktion, som vi kopplar till ett supraledande material för att få supraledning att "läcka" in i halvledarnanan. "

Än så länge, de flesta studier antog närvaron av en spin-omloppsinteraktion i experiment som visade bevis för Majorana-lägen. Ändå, ingen hade ännu studerat effekten av denna interaktion i supraledare och halvledare Majorana-trådar, vilket är avgörande för att skapa dessa lägen.

"I vår studie, vi avslöjade denna effekt och mätte direkt denna spin-omloppsinteraktion och dess styrka, "Bommer sa." Vi uppnådde detta genom att studera effekten av magnetfält i olika olika riktningar på supraledningen. "

Vanligtvis, magnetiska fält undertrycker supraledning genom att stänga det supraledande energigapet. Spin-omloppsinteraktionen motverkar denna undertryckning när magnetfältet pekar längs specifika riktningar. I deras elektrontransport experiment, därför, forskarna krävde ett starkare magnetfält för att stänga detta gap.

Genom att utföra teoretiska beräkningar och jämföra dem med deras experimentella data, Bommer och hans kollegor kunde uppskatta styrkan i spin-omloppsinteraktionen. Denna mycket viktiga parameter var tidigare okänd i system för topologiska kvantberäkningstillämpningar.

"Våra observationer visar att spin-orbit interaktion, en av de viktigaste ingredienserna för att skapa Majorana -lägen, finns i systemet och stöder således signaturerna för Majorana-lägen som tidigare har observerats, Bommer förklarade. den observerade fysiken genom vilken spin-orbit-interaktion skyddar supraledning är just den fysik som ytterst är ansvarig för den förväntade motståndskraften mot buller (dvs. topologiskt skydd) som förväntas för en topologisk kvantdator. "

Studien utförd av Bommer och hans kollegor visar att supraledningsförmåga och interaktion med omloppsbana kan vara närvarande samtidigt, avslöjar mekanismerna genom vilka spin-orbit interaktion skyddar supraledning i Majorana nanotrådar. Deras observationer visar att mer avancerade implementeringar av detta materialsystem också bör dra nytta av spin-orbit-skydd för kvantinformation och att den uppskattade spin-orbit-styrkan ger en viktig input för utformningen av kvantberäkningskretsar.

Forskarna planerar nu ytterligare forskning som syftar till att hitta nya experimentella signaturer för Majorana-nollägen med förbättrade materialsystem. Till exempel, de har bytt NbTiN-supraledaren till ett tunt aluminiumskikt, vilket ger mycket bättre supraledning.

"Vi är också på jakt efter att observera Majorana-partiklarna på båda ändarna av tråden samtidigt, vilket är ett starkt argument för att hävda observationen av sanna Majorana -lägen, "Bommer sa." Dessa förbättringar som vi arbetar med krävs också för att förverkliga vår ambition att skapa en kvantdator som använder Majorana -partiklar som sina byggstenar. Dessa nära framtida experiment kommer inte bara att fungera som mellanliggande steg mot en topologisk qubit utan också visa Majorana -fysik i en mer grundläggande aspekt. "

© 2019 Science X Network