Een Deens-Amerikaans onderzoeksteam heeft aangetoond dat het mogelijk is om Majorana-deeltjes te produceren in een nieuw bouwmateriaal. Het onderzoek, onder leiding van wetenschappers van het Niels Bohr-instituut, Universiteit van Kopenhagen, effent de weg voor nieuwe soorten experimenten - en vormt tegelijkertijd een belangrijke bijdrage aan de constructie van de informatiecircuits van morgen.

Sinds Ettore Majorana – de legendarische en mythische Italiaanse natuurkundige – in 1937 het bestaan ​​suggereerde van een deeltje dat ook zijn eigen antideeltje is, wetenschappers hebben gezocht naar het "Majorana-deeltje, "zoals het is bekend geworden.

Tot nu toe heeft de zoektocht niet mogen baten

Een team van wetenschappers van het Center for Quantum Devices van het Niels Bohr Institute (NBI) en van de Purdue University, VS, hebben echter recentelijk bijgedragen aan de vooruitgang van het Majorana-onderzoek.

Niet door het ongrijpbare deeltje zelf te vinden, maar door uit te zoeken hoe we een materiaal kunnen produceren waarin elektronen zich gedragen in overeenstemming met de theoretische voorspellingen voor Majorana-deeltjes.

De resultaten van het onderzoeksproject zijn gepubliceerd in dit weeknummer van het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Geen kosten

Een antideeltje is een elementair deeltje - identiek aan zijn 'tegenhanger, " maar met tegengestelde elektrische lading. Zoals te zien is in de relatie tussen negatief geladen elektronen en positief geladen positronen.

Als een deeltje ook zijn eigen antideeltje is, wat, aangezien het inderdaad bestaat, zal het geval zijn met een Majorana-deeltje - het zal daarom helemaal geen lading hebben.

De eigenschappen die, volgens de berekeningen van Ettore Majorana, karakteriseren van een Majorana-deeltje doen wetenschappers om een ​​aantal redenen fascineren. Uiteraard omdat dergelijke eigenschappen 'verpakt' in één deeltje nieuwe experimentele mogelijkheden zullen vertegenwoordigen. Maar ook omdat Majorana-eigenschappen nuttig worden geacht wanneer wetenschappers b.v. proberen kwantumcomputers te bouwen, d.w.z. de informatiecircuits van morgen die de capaciteit zullen hebben om gegevensbelastingen ver te verwerken, veel zwaarder dan die van onze huidige supercomputers.

Over de hele wereld proberen wetenschappers kwantumcomputers te ontwerpen.

Het is een race - Center for Quantum Devices bij NBI is een van de deelnemers - en assistent-professor Fabrizio Nichele en professor Charles Marcus, beiden vertegenwoordigen het NBI-centrum, hebben het Deens-Amerikaanse onderzoeksproject geleid.

"De verkorte versie is dat het mogelijk is om een ​​materiaal te produceren waarin elektronen zich gedragen als Majorana-deeltjes, zoals onze experimenten suggereren - en dat het mogelijk is om dit materiaal te produceren door middel van technieken die vrij gelijkaardig zijn aan de technieken die tegenwoordig worden gebruikt bij het vervaardigen van computercircuits. Bovendien hebben we laten zien hoe dit materiaal ons in staat stelt om eigenschappen van nooit eerder gemeten Majorana-deeltjes te meten - en deze metingen met grote precisie uit te voeren, " legt Fabrizio Nichele uit.

Laptopontwerp

Twee ultradunne vellen - gecombineerd in een sandwich - vormen het middelpunt van de Deens-Amerikaanse ontdekking, en het heeft allemaal te maken met het maken van een materiaal op basis van deze sandwich."

De onderste laag van de 'sandwich' is gemaakt van indiumarsenide, een halfgeleider, en de toplaag is gemaakt van aluminium, een supergeleider. En de 'sandwich' zit bovenop een zogenaamde wafel, een van de bouwstenen die in de moderne computertechnologie worden gebruikt.

Als je een nanodraad uit deze 'sandwich'-laag snijdt, is het mogelijk om een ​​toestand te creëren waarin elektronen in de draad Majorana-eigenschappen vertonen - en de theorie achter deze benadering is gedeeltelijk bekend sinds 2010, zegt Fabrizio Nichele:

"Echter, tot nu toe was er een groot probleem omdat het nodig was om de nanodraad te 'kweken' in speciale machines in een laboratorium - en de draad was, letterlijk, alleen verkrijgbaar in de vorm van minuscule 'haarachtige' rietjes. Voor het bouwen van bijv. een chip op basis van dit materiaal, je moest daarom een ​​bijna onpeilbaar aantal losse rietjes in elkaar zetten - wat het echt moeilijk en zeer uitdagend maakte om circuits op deze manier te bouwen."

En dit is precies waar de Deens-Amerikaanse ontdekking heel handig van pas komt, legt Fabrizio Nichele uit:"We zijn nu in staat om de nanodraad op een laptop te ontwerpen - en de details op te nemen waar we voor gaan. Verderop zal de productiecapaciteit ongetwijfeld toenemen - waardoor we deze techniek kunnen gebruiken om computers te bouwen van aanzienlijke omvang."

Snellere weg naar Majorana

Bij Center for Quantum Devices bij NBI, de focus ligt heel erg op de bouw van een kwantumcomputer. Toch is het een lange adem - de kwantumcomputer is zeker niet om de hoek, zegt Fabrizio

Nichele:"Materialen met Majorana-eigenschappen hebben in deze context uiteraard een aantal relevante kwaliteiten. Daarom proberen we dit veld via verschillende experimenten te onderzoeken."

Sommige van deze experimenten worden uitgevoerd bij temperaturen net boven het absolute nulpunt (-273, 15 C), legt Fabrizio Nichele uit:"Als je dat doet - waarvoor natuurlijk apparatuur nodig is die is afgestemd op dit soort experimenten - kun je details bestuderen die verband houden met kwantumeigenschappen in verschillende materialen. Als het gaat om het bouwen van een kwantumcomputer, Majorana-deeltjes wel, echter, slechts een van een aantal mogelijke en veelbelovende opties. Dit veld is zeer complex - en wanneer, op een dag, er is inderdaad een kwantumcomputer gebouwd en in bedrijf, het kan heel goed gebaseerd zijn op een of andere vorm van integratie van een aantal verschillende technieken en verschillende materialen, waarvan sommige gebaseerd kunnen zijn op ons onderzoek, " zegt Fabrizio Nichele.

Wetenschappers die met Ettore Majoranas-vergelijkingen werken om geheel andere redenen dan de wens om een ​​kwantumcomputer te bouwen, kunnen ook profiteren van het Deens-Amerikaanse onderzoek, legt Fabrizio Nichele uit:

"Onze techniek maakt het mogelijk om experimenten uit te voeren die tot nu toe niet uitvoerbaar waren, wat ook het begrip van het Majorana-deeltje zelf zal vergemakkelijken."

Het onderzoeksproject is gefinancierd door de Deense National Research Foundation, de Stichting Villam, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) en – die de commerciële donorzijde vertegenwoordigt – Microsoft; de laatste voegt zich bij het project als onderdeel van een gevestigde samenwerking met NBI.

Naast de samenwerking met collega's van Purdue Univcersity, de NBI-onderzoekers hebben onlangs ook Majorana-eigendommen bestudeerd in samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Californië, Santa Barbara, VS. De resultaten van dit project zijn gepubliceerd in een apart artikel in Fysieke beoordelingsbrieven .