Even mysterieus als de Italiaanse wetenschapper waarnaar het is vernoemd, het Majorana-deeltje is een van de meest boeiende zoektochten in de natuurkunde.

Zijn faam komt voort uit zijn vreemde eigenschappen - het is het enige deeltje dat zijn eigen antideeltje is - en van zijn potentieel om te worden gebruikt voor toekomstige kwantumcomputers.

In recente jaren, een handvol groepen, waaronder een team in Princeton, hebben gemeld dat ze de Majorana in verschillende materialen hebben gevonden, maar de uitdaging is hoe het te manipuleren voor kwantumberekening.

In een nieuwe studie die deze week is gepubliceerd, het Princeton-team meldt een manier om de quasideeltjes van Majorana te beheersen in een omgeving die ze ook robuuster maakt. De setting - die een supergeleider combineert met een exotisch materiaal dat een topologische isolator wordt genoemd - maakt Majorana's bijzonder veerkrachtig tegen vernietiging door hitte of trillingen van de buitenomgeving. Wat is meer, het team demonstreerde een manier om de Majorana in of uit te schakelen met behulp van kleine magneten die in het apparaat zijn geïntegreerd. Het rapport verscheen in het tijdschrift Wetenschap .

"Met deze nieuwe studie hebben we nu een nieuwe manier om Majorana-quasideeltjes in materialen te engineeren, " zei Ali Yazdani, Class of 1909 hoogleraar natuurkunde en senior auteur van de studie. "We kunnen hun bestaan ​​verifiëren door ze in beeld te brengen en we kunnen hun voorspelde eigenschappen karakteriseren."

De Majorana is genoemd naar de natuurkundige Ettore Majorana, die het bestaan ​​van het deeltje in 1937 voorspelde, slechts een jaar voordat het op mysterieuze wijze verdween tijdens een veerboottocht voor de Italiaanse kust. Voortbouwend op dezelfde logica waarmee natuurkundige Paul Dirac in 1928 voorspelde dat het elektron een antideeltje moet hebben, later geïdentificeerd als het positron, Majorana theoretiseerde het bestaan ​​van een deeltje dat zijn eigen antideeltje is.

Typisch wanneer materie en antimaterie samenkomen, ze vernietigen elkaar in een gewelddadige vrijlating van energie, maar de Majorana's, wanneer ze als paren verschijnen aan elk uiteinde van speciaal ontworpen draden, kunnen relatief stabiel zijn en een zwakke wisselwerking hebben met hun omgeving. De paren maken het mogelijk om kwantuminformatie op twee verschillende locaties op te slaan, waardoor ze relatief robuust zijn tegen verstoring, omdat voor het veranderen van de kwantumtoestand gelijktijdige bewerkingen aan beide uiteinden van de draad nodig zijn.

Deze mogelijkheid heeft technologen geboeid die een manier bedenken om kwantumbits - de eenheden van kwantumcomputing - te maken die robuuster zijn dan de huidige benaderingen. Kwantumsystemen worden gewaardeerd om hun potentieel om problemen aan te pakken die onmogelijk op te lossen zijn met de huidige computers, maar ze vereisen het handhaven van een fragiele staat die superpositie wordt genoemd, die, indien verstoord, kan leiden tot systeemstoringen.

Een op Majorana gebaseerde kwantumcomputer zou informatie opslaan in deeltjesparen en berekeningen uitvoeren door ze om elkaar heen te vlechten. De resultaten van de berekening zouden worden bepaald door de vernietiging van Majorana's met elkaar, wat kan resulteren in het verschijnen van een elektron (gedetecteerd door zijn lading) of niets, afhankelijk van hoe het paar Majorana's is gevlochten. De probabilistische uitkomst van de vernietiging van het Majorana-paar ligt ten grondslag aan het gebruik ervan voor kwantumberekening.

De uitdaging is hoe je Majorana's kunt maken en gemakkelijk kunt besturen. Een van de plaatsen waar ze kunnen bestaan, is aan de uiteinden van een enkele atoomdikke keten van magnetische atomen op een supergeleidend bed. In 2014, melden in Wetenschap , Yazdani en medewerkers gebruikten een scanning tunneling microscope (STM), waarbij een punt over atomen wordt gesleept om de aanwezigheid van quasideeltjes te onthullen, Majorana's vinden aan beide uiteinden van een keten van ijzeratomen die op het oppervlak van een supergeleider rusten.

Het team ging verder met het detecteren van de quantum "spin, " een eigenschap die wordt gedeeld door elektronen en andere subatomaire deeltjes. In een rapport gepubliceerd in Science in 2017, het team verklaarde dat de spin-eigenschap van de Majorana een uniek signaal is om te bepalen dat een gedetecteerd quasideeltje inderdaad een Majorana is.

In deze laatste studie het team verkende een andere voorspelde plaats voor het vinden van Majorana's:in het kanaal dat zich vormt aan de rand van een topologische isolator wanneer het in contact wordt gebracht met een supergeleider. Supergeleiders zijn materialen waarin elektronen zonder weerstand kunnen reizen, en topologische isolatoren zijn materialen waarin elektronen alleen langs de randen stromen.

De theorie voorspelt dat Majorana-quasideeltjes zich kunnen vormen aan de rand van een dunne laag topologische isolator die in contact komt met een blok supergeleidend materiaal. De nabijheid van de supergeleider zorgt ervoor dat elektronen zonder weerstand langs de topologische isolatorrand stromen, dat zo dun is dat het kan worden gezien als een draad. Omdat Majorana's zich vormen aan het einde van draden, het moet mogelijk zijn om ze te laten verschijnen door de draad door te knippen.

"Het was een voorspelling, en het zat daar gewoon al die jaren, " zei Yazdani. "We besloten om te onderzoeken hoe men deze structuur daadwerkelijk kon maken vanwege het potentieel om Majorana's te maken die robuuster zouden zijn tegen materiële onvolkomenheden en temperatuur."

Het team bouwde de structuur door een dunne laag bismut-topologische isolator te verdampen bovenop een blok niobium-supergeleider. Ze plaatsten magnetische geheugenbits ter grootte van nanometers op de structuur om een ​​magnetisch veld te creëren, die de stroom van elektronen ontspoort, hetzelfde effect als het doorknippen van de draad. Ze gebruikten STM om de structuur te visualiseren.

Wanneer ze hun microscoop gebruiken om op de Majorana te jagen, echter, de onderzoekers waren in eerste instantie perplex door wat ze zagen. Soms zagen ze de Majorana verschijnen, en andere keren konden ze het niet vinden. Na verder onderzoek realiseerden ze zich dat de Majorana alleen verschijnt wanneer de kleine magneten worden gemagnetiseerd in de richting evenwijdig aan de richting van de elektronenstroom langs het kanaal.

"Toen we de kleine magneten begonnen te karakteriseren, we realiseerden ons dat ze de controleparameter zijn, "zei Yazdani. "De manier waarop de magnetisatie van het bit is georiënteerd, bepaalt of de Majorana verschijnt of niet. Het is een aan-uitschakelaar."

Het team meldde dat het Majorana-quasideeltje dat zich in dit systeem vormt, behoorlijk robuust is omdat het voorkomt bij energieën die verschillen van de andere quasideeltjes die in het systeem kunnen voorkomen. De robuustheid komt ook voort uit de vorming in een topologische randmodus, die inherent bestand is tegen verstoring. Topologische materialen ontlenen hun naam aan de tak van de wiskunde die beschrijft hoe objecten kunnen worden vervormd door ze uit te rekken of te buigen. Elektronen die in een topologisch materiaal stromen, zullen dus blijven bewegen rond eventuele deuken of onvolkomenheden.