In het laatste experiment in zijn soort, onderzoekers hebben het meest overtuigende bewijs tot nu toe verzameld dat ongebruikelijke deeltjes op de loer liggen in een speciaal soort supergeleider. Het resultaat, wat de theoretische voorspellingen bevestigt die bijna tien jaar geleden voor het eerst werden gedaan door het Joint Quantum Institute (JQI) en de University of Maryland (UMD), zal worden gepubliceerd in het nummer van 5 april van Natuur .

de verstekelingen, genaamd Majorana quasideeltjes, zijn anders dan gewone materie zoals elektronen of quarks - het spul waaruit de elementen van het periodiek systeem bestaan. In tegenstelling tot die deeltjes, die, voor zover natuurkundigen weten, niet kunnen worden opgesplitst in meer basale stukken, Majorana-quasideeltjes ontstaan ​​uit gecoördineerde patronen van veel atomen en elektronen en verschijnen alleen onder speciale omstandigheden. Ze zijn begiftigd met unieke eigenschappen waardoor ze de ruggengraat kunnen vormen van één type kwantumcomputer, en onderzoekers jagen al jaren achter hen aan.

Het laatste resultaat is het meest verleidelijke tot nu toe voor Majorana-jagers, waarmee veel theoretische voorspellingen worden bevestigd en de basis wordt gelegd voor meer verfijnde experimenten in de toekomst. In het nieuwe werk onderzoekers maten de elektrische stroom die door een ultradunne halfgeleider gaat die is verbonden met een strook supergeleidend aluminium - een recept dat de hele combinatie transformeert in een speciaal soort supergeleider.

Dergelijke experimenten stellen de nanodraad bloot aan een sterke magneet, wat een extra manier ontgrendelt voor elektronen in de draad om zich bij lage temperaturen te organiseren. Met deze extra opstelling wordt voorspeld dat de draad een Majorana-quasideeltje zal bevatten, en onderzoekers kunnen de aanwezigheid ervan zoeken door de elektrische respons van de draad zorgvuldig te meten.

Het nieuwe experiment werd uitgevoerd door onderzoekers van QuTech van de Technische Universiteit Delft in Nederland en Microsoft Research, met monsters van het hybride materiaal bereid aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara en de Technische Universiteit Eindhoven in Nederland. Onderzoekers vergeleken hun resultaten met theoretische berekeningen van JQI Fellow Sankar Das Sarma en JQI-afgestudeerde student Chun-Xiao Liu.

Dezelfde groep in Delft zag in 2012 hints van een Majorana maar het gemeten elektrische effect was niet zo groot als de theorie had voorspeld. Nu is het volledige effect waargenomen, en het blijft bestaan, zelfs wanneer onderzoekers de sterkte van magnetische of elektrische velden schudden - een robuustheid die nog sterker bewijs levert dat het experiment een Majorana heeft gevangen, zoals voorspeld in zorgvuldige theoretische simulaties door Liu.

"We zijn ver verwijderd van het theoretische recept in 2010 voor het creëren van Majorana-deeltjes in hybride halfgeleider-supergeleidersystemen, " zegt Das Sarma, een co-auteur van het artikel die ook de directeur is van het Condensed Matter Theory Center bij UMD. "Maar er is nog een lange weg te gaan voordat we de totale overwinning kunnen uitroepen in onze zoektocht naar deze vreemde deeltjes."

Het succes komt na jaren van verfijning in de manier waarop onderzoekers de nanodraden assembleren, wat leidt tot een schoner contact tussen de halfgeleiderdraad en de aluminium strip. In dezelfde tijd, theoretici hebben inzicht gekregen in de mogelijke experimentele handtekeningen van Majoranas - werk dat werd ontwikkeld door Das Sarma en verschillende medewerkers van UMD.

Theorie ontmoet experiment

De zoektocht naar Majorana-quasideeltjes in dunne kwantumdraden begon in 2001, aangespoord door Alexei Kitaev, vervolgens een natuurkundige en vervolgens bij Microsoft Research. Kitaev, die nu aan het California Institute of Technology in Pasadena zit, bedacht een relatief eenvoudig maar onrealistisch systeem dat theoretisch een Majorana zou kunnen herbergen. Maar deze denkbeeldige draad vereiste een specifiek soort supergeleiding die niet in de natuur verkrijgbaar is, en anderen gingen al snel op zoek naar manieren om Kitaevs apparaat te imiteren door beschikbare materialen te mixen en matchen.

Een uitdaging was uitzoeken hoe je supergeleiders kunt krijgen, die gewoonlijk hun werk doen met een even aantal elektronen - twee, vier, zes, enz. - om ook een oneven aantal elektronen toe te staan, een situatie die normaal gesproken onstabiel is en extra energie vereist om te onderhouden. Het oneven aantal is nodig omdat Majorana-quasideeltjes ongegeneerde excentriekelingen zijn:ze verschijnen alleen in het gecoördineerde gedrag van een oneven aantal elektronen.

In 2010, bijna een decennium na Kitaevs originele paper, Das Sarma, JQI Fellow Jay Deep Sau en JQI postdoctoraal onderzoeker Roman Lutchyn, samen met een tweede groep onderzoekers, ontdekte een methode om deze speciale supergeleiders te maken, en het heeft sindsdien de experimentele zoektocht gedreven. Ze stelden voor om een ​​bepaald soort halfgeleider te combineren met een gewone supergeleider en de stroom door het hele ding te meten. Ze voorspelden dat de combinatie van de twee materialen, samen met een sterk magnetisch veld, zou de Majorana-regeling ontsluiten en het speciale materiaal van Kitaev opleveren.

Ze voorspelden ook dat een Majorana zich zou kunnen openbaren in de manier waarop stroom door zo'n nanodraadje vloeit. Als je een gewone halfgeleider aansluit op een metaaldraad en een batterij, elektronen hebben meestal een kans om van de draad op de halfgeleider te springen en een kans om te worden afgewezen - de details zijn afhankelijk van de elektronen en de samenstelling van het materiaal. Maar als je in plaats daarvan een van Kitaev's nanodraden gebruikt, er gebeurt iets heel anders. Het elektron wordt altijd perfect teruggekaatst in de draad, maar het is niet langer een elektron. Het wordt wat wetenschappers een gat noemen - in feite een plek in het metaal waar een elektron ontbreekt - en het draagt ​​een positieve lading terug in de tegenovergestelde richting.

De natuurkunde vereist dat de stroom over de interface behouden blijft, wat betekent dat twee elektronen in de supergeleider moeten eindigen om de positieve lading in de andere richting te compenseren. Het vreemde is dat dit proces, die natuurkundigen perfecte Andreev-reflectie noemen, gebeurt zelfs wanneer elektronen in het metaal geen duw naar de grens krijgen - dat wil zeggen, zelfs als ze niet zijn aangesloten op een soort batterij. Dit hangt samen met het feit dat een Majorana zijn eigen antideeltje is, wat betekent dat het geen energie kost om een ​​paar Majorana's in de nanodraad te maken. De Majorana-opstelling geeft de twee elektronen wat extra bewegingsruimte en stelt ze in staat om de nanodraad te doorkruisen als een gekwantiseerd paar, dat wil zeggen, precies twee tegelijk.

"Het is het bestaan ​​van Majorana's die aanleiding geeft tot deze gekwantiseerde differentiële geleiding, " zegt Liu, die numerieke simulaties uitvoerde om de resultaten van de experimenten op UMD's Deepthought2-supercomputercluster te voorspellen. "En zo'n kwantisering zou zelfs robuust moeten zijn voor kleine veranderingen in experimentele parameters, zoals het echte experiment laat zien."

Wetenschappers noemen deze stijl van experimenteren tunnelspectroscopie omdat elektronen een kwantumroute door de nanodraad naar de andere kant nemen. Het is de focus geweest van recente pogingen om Majoranas te vangen, maar er zijn andere tests die de exotische eigenschappen van de deeltjes directer kunnen onthullen - tests die volledig zouden bevestigen dat de Majorana's er echt zijn.

"Dit experiment is een grote stap voorwaarts in onze zoektocht naar deze exotische en ongrijpbare Majorana-deeltjes, waaruit de grote vooruitgang blijkt die is gemaakt in de materiaalverbetering in de afgelopen vijf jaar, " zegt Das Sarma. "Ik ben ervan overtuigd dat deze vreemde deeltjes in deze nanodraden bestaan, maar alleen een niet-lokale meting die de onderliggende fysica vaststelt, kan het bewijs definitief maken."