Onderzoekers van Princeton University hebben een unieke kwantumeigenschap ontdekt van een ongrijpbaar deeltje dat opmerkelijk is omdat het zich gelijktijdig gedraagt ​​als materie en antimaterie. het deeltje, bekend als het Majorana-fermion, wordt door onderzoekers gewaardeerd om zijn potentieel om de deuren te openen naar nieuwe quantumcomputermogelijkheden.

In de studie die deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap , het onderzoeksteam beschreef hoe ze een bestaande beeldvormingstechniek verbeterden, genaamd scanning tunneling microscopie, om signalen op te vangen van het Majorana-deeltje aan beide uiteinden van een atomair dunne ijzerdraad die op het oppervlak van een loodkristal is gespannen. Hun methode omvatte het detecteren van een onderscheidende kwantumeigenschap die bekend staat als spin, die is voorgesteld voor het verzenden van kwantuminformatie in circuits die het Majorana-deeltje bevatten.

"De spin-eigenschap van Majoranas onderscheidt ze van andere soorten quasi-deeltjes die in materialen voorkomen, " zei Ali Yazdani, Princeton's Class of 1909 hoogleraar natuurkunde. "De experimentele detectie van deze eigenschap zorgt voor een unieke signatuur van dit exotische deeltje."

De bevinding bouwt voort op de ontdekking van het team in 2014, ook gepubliceerd in Wetenschap , van het Majorana-fermion in een enkele atoombrede keten van ijzeratomen bovenop een loden substraat. In die studie, de scanning tunneling microscoop werd voor het eerst gebruikt om Majoranas te visualiseren, maar gaf geen andere metingen van hun eigenschappen.

"Ons doel was om enkele van de specifieke kwantumeigenschappen van Majorana's te onderzoeken. Dergelijke experimenten bieden niet alleen een verdere bevestiging van hun bestaan ​​in onze ketens, maar open mogelijke manieren om ze te gebruiken", zei Yazdani.

Voor het eerst getheoretiseerd in de late jaren 1930 door de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana, het deeltje is fascinerend omdat het fungeert als zijn eigen antideeltje. In de afgelopen jaren, wetenschappers hebben zich gerealiseerd dat ze eendimensionale draden kunnen maken, zoals de ketens van atomen op het supergeleidende oppervlak in de huidige studie, om Majorana-fermionen te laten verschijnen in vaste stoffen. In deze draden Majorana's komen voor als paren aan beide uiteinden van de ketens, op voorwaarde dat de kettingen lang genoeg zijn voor de Majorana's om ver genoeg uit elkaar te blijven zodat ze elkaar niet vernietigen. In een kwantumcomputersysteem informatie kan tegelijkertijd aan beide uiteinden van de draad worden opgeslagen, het verstrekken van een robuustheid tegen verstoringen van buitenaf aan de inherent fragiele kwantumtoestanden.

Eerdere experimentele pogingen om Majorana's te detecteren, hebben gebruik gemaakt van het feit dat het zowel een deeltje als een antideeltje is. De veelbetekenende handtekening wordt een nul-bias-piek genoemd in een kwantumtunnelmeting. Maar studies hebben aangetoond dat dergelijke signalen ook kunnen optreden als gevolg van een paar gewone quasideeltjes die in supergeleiders kunnen verschijnen. Professor in de natuurkunde Andrei Bernevig en zijn team, die met Yazdani's groep het atoomketenplatform voorstelde, ontwikkelde de theorie die aantoonde dat spin-gepolariseerde metingen gemaakt met behulp van een scanning tunneling microscoop onderscheid kunnen maken tussen de aanwezigheid van een paar gewone quasi-deeltjes en een Majorana.

Typisch, scanning tunneling microscopie (STM) omvat het slepen van een elektrode met fijne punt over een structuur, in dit geval de keten van ijzeratomen, en het detecteren van zijn elektronische eigenschappen, waaruit een beeld kan worden opgebouwd. Om spingevoelige metingen uit te voeren, de onderzoekers maken elektroden die in verschillende richtingen gemagnetiseerd zijn. Deze "spin-gepolariseerde" STM-metingen onthulden handtekeningen die overeenkomen met de theoretische berekeningen van Bernevig en zijn team.

"Het blijkt dat, in tegenstelling tot in het geval van een conventioneel quasi-deeltje, de spin van de Majorana kan niet worden afgeschermd door de achtergrond. In die zin is het een lakmoesproef voor de aanwezigheid van de Majorana-staat, ' zei Bernevig.

De kwantumspin-eigenschap van Majorana kan ze ook nuttiger maken voor toepassingen in kwantuminformatie. Bijvoorbeeld, draden met Majorana's aan beide uiteinden kunnen worden gebruikt om informatie over te dragen tussen verre kwantumbits die afhankelijk zijn van de spin van elektronen. Verstrengeling van de spins van elektronen en Majorana's kan de volgende stap zijn in het benutten van hun eigenschappen voor de overdracht van kwantuminformatie.