De combinatie van verschillende fasen van water:vast ijs, vloeibaar water, en waterdamp - zou enige inspanning vergen om experimenteel te bereiken. Bijvoorbeeld, als je ijs naast damp wilt plaatsen, je zou het water continu moeten koelen om de vaste fase te behouden, terwijl je het moet verwarmen om de gasfase te behouden.

Voor fysici van de gecondenseerde materie, dit vermogen om verschillende omstandigheden in hetzelfde systeem te creëren is wenselijk omdat interessante fenomenen en eigenschappen vaak ontstaan ​​op de grensvlakken tussen twee fasen. Van actueel belang zijn de omstandigheden waaronder Majorana-fermionen in de buurt van deze grenzen kunnen verschijnen.

Majorana-fermionen zijn deeltjesachtige excitaties die quasideeltjes worden genoemd en die ontstaan ​​als gevolg van de fractionering (splitsing) van individuele elektronen in twee helften. Met andere woorden, een elektron wordt een verstrengeld (gekoppeld) paar van twee Majorana-quasideeltjes, waarbij de link blijft bestaan, ongeacht de afstand ertussen. Wetenschappers hopen Majorana-fermionen te gebruiken die fysiek gescheiden zijn in een materiaal om informatie betrouwbaar op te slaan in de vorm van qubits, de bouwstenen van kwantumcomputers. De exotische eigenschappen van Majorana's - inclusief hun hoge ongevoeligheid voor elektromagnetische velden en andere omgevingsgeluiden - maken ze ideale kandidaten om informatie zonder verlies over lange afstanden te vervoeren.

Echter, daten, Majorana-fermionen zijn alleen onder extreme omstandigheden in materialen gerealiseerd, inclusief bij ijskoude temperaturen dicht bij het absolute nulpunt (-459 graden Fahrenheit) en onder hoge magnetische velden. En hoewel ze "topologisch" beschermd zijn tegen lokale atomaire onzuiverheden, wanorde, en defecten die aanwezig zijn in alle materialen (d.w.z. hun ruimtelijke eigenschappen blijven hetzelfde, zelfs als het materiaal wordt gebogen, verdraaid, uitgerekt, of anderszins vervormd), ze overleven niet onder sterke verstoringen. In aanvulling, het temperatuurbereik waarover ze kunnen werken is erg smal. Om deze redenen, Majorana-fermionen zijn nog niet klaar voor praktische technologische toepassing.

Nutsvoorzieningen, een team van natuurkundigen onder leiding van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en inclusief medewerkers uit China, Duitsland, en Nederland heeft een nieuwe theoretische methode voorgesteld om robuustere Majorana-fermionen te produceren. Volgens hun berekeningen zoals beschreven in een paper gepubliceerd op 15 januari in Fysieke beoordelingsbrieven , deze Majorana's ontstaan ​​bij hogere temperaturen (in vele ordes van grootte) en worden grotendeels onaangetast door wanorde en lawaai. Ook al zijn ze niet topologisch beschermd, ze kunnen aanhouden als de verstoringen langzaam veranderen van het ene punt naar het andere in de ruimte.

"Onze numerieke en analytische berekeningen leveren bewijs dat Majorana-fermionen bestaan ​​in de grenzen van magnetische materialen met verschillende magnetische fasen, of richtingen van elektronenspins, naast elkaar geplaatst, " zei co-auteur Alexei Tsvelik, senior wetenschapper en leider van de Condensed Matter Theory Group in de afdeling Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) van Brookhaven Lab. "We hebben ook het aantal Majorana-fermionen bepaald dat je zou verwachten als je bepaalde magnetische fasen combineert."

Voor hun theoretische studie de wetenschappers concentreerden zich op magnetische materialen die spinladders worden genoemd, dit zijn kristallen gevormd uit atomen met een driedimensionale (3-D) structuur onderverdeeld in paren kettingen die op ladders lijken. Hoewel de wetenschappers al vele jaren de eigenschappen van spinladdersystemen bestuderen en verwachtten dat ze Majorana-fermionen zouden produceren, ze wisten niet hoeveel. Om hun berekeningen uit te voeren, ze pasten het wiskundige raamwerk van de kwantumveldentheorie toe voor het beschrijven van de fundamentele fysica van elementaire deeltjes, en een numerieke methode (density-matrix renormalization group) voor het simuleren van kwantumsystemen waarvan de elektronen zich sterk gecorreleerd gedragen.

"We waren verrast om te horen dat we voor bepaalde configuraties van magnetische fasen meer dan één Majorana-fermion aan elke grens kunnen genereren, " zei co-auteur en CMPMS-afdelingsvoorzitter Robert Konik.

Om Majorana-fermionen praktisch bruikbaar te maken in kwantumcomputers, ze moeten in grote aantallen worden gegenereerd. Computerexperts zijn van mening dat de minimumdrempel waarbij kwantumcomputers in staat zullen zijn om problemen op te lossen die klassieke computers niet kunnen, 100 qubits is. De Majorana-fermionen moeten ook zo beweegbaar zijn dat ze verstrikt kunnen raken.

Het team is van plan om hun theoretische studie op te volgen met experimenten met behulp van gemanipuleerde systemen zoals kwantumdots (nano-halfgeleidende deeltjes) of ingesloten (opgesloten) ionen. Vergeleken met de eigenschappen van echte materialen, die van gemanipuleerde kunnen gemakkelijker worden afgestemd en gemanipuleerd om de verschillende fasegrenzen te introduceren waar Majorana-fermionen kunnen ontstaan.

"Waar de volgende generatie kwantumcomputers van gemaakt zal worden, is op dit moment onduidelijk, " zei Konik. "We proberen betere alternatieven te vinden voor de lage-temperatuur supergeleiders van de huidige generatie, vergelijkbaar met hoe silicium germanium in transistors verving. We bevinden ons in zo'n vroeg stadium dat we alle beschikbare mogelijkheden moeten onderzoeken."