Majorana-fermionen zijn deeltjes die mogelijk kunnen worden gebruikt als informatie-eenheden voor een kwantumcomputer. Een experiment door natuurkundigen van het Zwitserse Nanoscience Institute en de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel heeft hun theorie bevestigd dat Majorana-fermionen kunnen worden gegenereerd en gemeten op een supergeleider aan het uiteinde van draden gemaakt van enkele ijzeratomen. De onderzoekers slaagden er ook in om de golfeigenschappen van Majorana's te observeren en, daarom, bij het voor het eerst zichtbaar maken van het interieur van een Majorana. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift npj Quantum-informatie .

Ongeveer 75 jaar geleden, De Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana veronderstelde het bestaan ​​van exotische deeltjes die hun eigen antideeltjes zijn. Vanaf dat moment, interesse in deze deeltjes, bekend als Majorana-fermionen, enorm gegroeid aangezien ze een rol zouden kunnen spelen bij het maken van een kwantumcomputer. Majorana's zijn in theorie al heel goed beschreven. Echter, het onderzoeken ervan en het verkrijgen van experimenteel bewijs is moeilijk omdat ze in paren moeten voorkomen, maar dan meestal gebonden zijn om één normaal elektron te vormen. Ingenieuze combinaties en arrangementen van verschillende materialen zijn daarom nodig om twee Majorana's te genereren en uit elkaar te houden.

Samenwerking tussen theorie en praktijk

De groep onder leiding van professor Ernst Meyer heeft nu voorspellingen en berekeningen van theoretisch natuurkundigen professor Jelena Klinovaja en professor Daniel Loss (van het Zwitserse Nanoscience Institute en de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel) gebruikt om toestanden die overeenkomen met Majoranas experimenteel te meten. Op een supergeleider, de onderzoekers verdampten enkele ijzeratomen met spin die, door de rijenstructuur van de loodatomen, rangschikken zich in een minuscule draad die bestaat uit één rij enkele atomen. De draden bereikten een verbazingwekkende lengte van wel 70 nanometer.

Enkele Majorana's aan de uiteinden

De onderzoekers onderzochten deze mono-atomaire ketens met behulp van scanning tunneling microscopie en, Voor de eerste keer, ook met een atoomkrachtmicroscoop. Met behulp van de afbeeldingen en metingen, ze vonden duidelijke aanwijzingen voor het bestaan ​​van enkele Majorana-fermionen aan de uiteinden van de draden onder bepaalde omstandigheden en vanaf een bepaalde draadlengte.

Ondanks de afstand tussen hen, de twee Majorana's aan de uiteinden van de draden zijn nog steeds verbonden. Samen, ze vormen een nieuwe toestand die zich over de hele draad uitstrekt en die ofwel bezet ("1") of niet bezet ("0") kan zijn door een elektron. Deze binaire eigenschap kan dan dienen als basis voor een kwantumbit (Qubit) en betekent dat Majoranas, die ook zeer robuust zijn tegen een aantal omgevingsinvloeden, zijn veelbelovende kandidaten voor het maken van een toekomstige kwantumcomputer.

Voorspelde golffunctie gemeten

De onderzoekers uit Bazel hebben niet alleen aangetoond dat aan de uiteinden van een ijzerdraad enkele Majorana's kunnen worden gegenereerd en gemeten, ze voerden ook het eerste experiment uit om aan te tonen dat Majorana's uitgebreide kwantumobjecten zijn met een innerlijke structuur, zoals voorspeld door hun theorie-collega's. Over een oppervlakte van enkele nanometers, de metingen toonden de verwachte golffunctie met karakteristieke oscillaties en tweevoudige vervallengtes, die nu voor het eerst zichtbaar zijn gemaakt.