Majorana-deeltjes zijn zeer eigenaardige leden van de familie van elementaire deeltjes. Voor het eerst voorspeld in 1937 door de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana, deze deeltjes behoren tot de groep van zogenaamde fermionen, een groep die ook elektronen omvat, neutronen en protonen. Majorana-fermionen zijn elektrisch neutraal en hebben ook hun eigen antideeltjes. Deze exotische deeltjes kunnen, bijvoorbeeld, komen naar voren als quasi-deeltjes in topologische supergeleiders en vormen ideale bouwstenen voor topologische kwantumcomputers.

Naar twee dimensies gaan

Op weg naar zulke topologische kwantumcomputers op basis van Majorana-quasi-deeltjes, natuurkundigen van de Universiteit van Würzburg hebben samen met collega's van de Harvard University (VS) een belangrijke stap gezet:waar eerdere experimenten op dit gebied zich vooral richtten op eendimensionale systemen, de teams uit Würzburg en Harvard zijn erin geslaagd om naar tweedimensionale systemen te gaan.

In deze samenwerking de groepen van Ewelina Hankiewicz (Theoretische Physik IV) en Laurens Molenkamp (Experimentelle Physik III) van de Universiteit van Würzburg werkten samen met de groepen van Amir Yacoby en Bertrand Halperin van Harvard University. Hun bevindingen worden gepresenteerd in het huidige nummer van het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Twee supergeleiders kunnen de zaken vereenvoudigen

"Het realiseren van Majorana-fermionen is een van de meest intensief bestudeerde onderwerpen in de fysica van de gecondenseerde materie, " zegt Ewelina Hankiewicz. Volgens haar, eerdere realisaties waren meestal gericht op eendimensionale systemen zoals nanodraden. Ze legt uit dat een manipulatie van Majorana-fermionen in deze opstellingen erg moeilijk is. Het zou daarom aanzienlijke inspanningen vergen om Majorana-fermionen in deze opstellingen uiteindelijk toepasbaar te maken voor kwantumcomputing.

Om een ​​aantal van deze moeilijkheden te vermijden, de onderzoekers hebben Majorana-fermionen bestudeerd in een tweedimensionaal systeem met een sterke spin-baankoppeling. "Het systeem dat we onderzoeken is een zogenaamde fasegestuurde Josephson-junctie, dat is, twee supergeleiders die gescheiden zijn door een normaal gebied, " legt Laurens Molenkamp uit. Het supergeleidende faseverschil tussen de twee supergeleiders zorgt voor een extra knop, wat een ingewikkelde fijnafstemming van de andere systeemparameters op zijn minst gedeeltelijk overbodig maakt.

Belangrijke stap naar een betere controle

In het bestudeerde materiaal een kwiktelluride-kwantumbron gekoppeld aan supergeleidend dunnefilmaluminium, de natuurkundigen observeerden voor het eerst een topologische faseovergang die het verschijnen van Majorana-fermionen in fase-gecontroleerde Josephson-overgangen impliceert.

De hier experimenteel gerealiseerde opstelling vormt een veelzijdig platform voor de creatie, manipulatie en controle van Majorana-fermionen, wat verschillende voordelen biedt ten opzichte van eerdere eendimensionale platforms. Volgens Hankiewicz, "Dit is een belangrijke stap naar een betere beheersing van Majorana-fermionen." De proof of concept van een topologische supergeleider op basis van een tweedimensionale Josephson-junctie opent nieuwe mogelijkheden voor het onderzoek naar Majorana-fermionen in de fysica van de gecondenseerde materie. Vooral, verschillende beperkingen van eerdere realisaties van Majorana-fermionen kunnen worden vermeden.

Potentiële revolutie in computertechnologie

Tegelijkertijd, een verbeterde controle van Majorana-fermionen is een belangrijke stap op weg naar topologische kwantumcomputers. theoretisch, dergelijke computers kunnen aanzienlijk krachtiger zijn dan conventionele computers. Ze hebben dus het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de computertechnologie.

Volgende, de onderzoekers zijn van plan om de Josephson-knooppunten te verbeteren en naar knooppunten met smallere normaalgebieden te gaan. Hier, meer gelokaliseerde Majorana-fermionen worden verwacht. Ze bestuderen verder aanvullende mogelijkheden om Majorana-fermionen te manipuleren, bijvoorbeeld, door andere halfgeleiders te gebruiken.