Een gezamenlijk team van wetenschappers van de Universiteit van Californië, Rivieroever, en het Massachusetts Institute of Technology komt dichter bij de bevestiging van het bestaan ​​van een exotisch kwantumdeeltje genaamd Majorana fermion, cruciaal voor fouttolerante kwantumcomputing - het soort kwantumcomputing dat fouten tijdens de werking ervan aanpakt.

Quantum computing maakt gebruik van kwantumverschijnselen om berekeningen uit te voeren. Majorana-fermionen bevinden zich op de grens van speciale supergeleiders die topologische supergeleiders worden genoemd. die een supergeleidende opening in hun interieur hebben en Majorana-fermionen buiten herbergen, aan hun grenzen. Majorana-fermionen zijn een van de meest gewilde objecten in de kwantumfysica omdat ze hun eigen antideeltjes zijn, ze kunnen de kwantumtoestand van een elektron in tweeën splitsen, en ze volgen andere statistieken in vergelijking met elektronen. Hoewel velen beweerden ze te hebben geïdentificeerd, wetenschappers kunnen hun exotische kwantumkarakter nog steeds niet bevestigen.

Het UCR-MIT-team overwon de uitdaging door een nieuw materiaalsysteem met heterostructuren te ontwikkelen, op basis van goud, die mogelijk kunnen worden gebruikt om het bestaan ​​en de kwantumaard van Majorana-fermionen aan te tonen. Heterostructuurmaterialen zijn opgebouwd uit lagen van drastisch verschillende materialen die, samen, tonen totaal verschillende functionaliteiten in vergelijking met hun individuele lagen.

"Het is hoogst niet-triviaal om een ​​materieel systeem te vinden dat van nature een topologische supergeleider is, " zei Peng Wei, een assistent-professor natuurkunde en astronomie en een experimentator van de gecondenseerde materie, die mede leiding gaf aan de studie, verschijnen in Fysieke beoordelingsbrieven , met Jagadeesh Moodera en Patrick Lee van MIT. "Een materiaal moet aan verschillende strenge voorwaarden voldoen om een ​​topologische supergeleider te worden."

Het Majorana-fermion, beschouwd als de helft van een elektron, wordt voorspeld te vinden aan de uiteinden van een topologische supergeleider nanodraad. interessant, twee Majorana-fermionen kunnen met elkaar combineren om één elektron te vormen, waardoor de kwantumtoestanden van het elektron niet-lokaal kunnen worden opgeslagen - een voordeel voor fouttolerante kwantumcomputers.

In 2012, MIT-theoretici, onder leiding van Lee, voorspelde dat heterostructuren van goud onder strikte voorwaarden een topologische supergeleider kunnen worden. Experimenten uitgevoerd door het UCR-MIT-team hebben alle benodigde voorwaarden voor heterostructuren van goud bereikt.

"Het bereiken van een dergelijke heterostructuur is zeer veeleisend omdat eerst verschillende materiële fysica-uitdagingen moesten worden aangepakt, " zei Wei, een UCR-alumnus die in 2016 terugkeerde van MIT naar de campus.

Wei legde uit dat de onderzoekspaper supergeleiding vertoont, magnetisme, en de spin-baankoppeling van elektronen kan naast elkaar bestaan ​​in goud - een moeilijke uitdaging om aan te gaan - en handmatig worden gemengd met andere materialen via heterostructuren.

"Supergeleiding en magnetisme bestaan ​​normaal gesproken niet naast elkaar in hetzelfde materiaal, " hij zei.

Goud is geen supergeleider, hij voegde toe, en evenmin zijn de elektronentoestanden op het oppervlak.

"Ons artikel laat voor het eerst zien dat supergeleiding naar de oppervlaktetoestanden van goud kan worden gebracht, nieuwe natuurkunde nodig, zei hij. "We laten zien dat het mogelijk is om van de oppervlaktetoestand van goud een supergeleider te maken, die nog nooit eerder is vertoond."

Het onderzoeksartikel laat ook zien dat de elektronendichtheid van supergeleiding in de oppervlaktetoestanden van goud kan worden afgestemd.

"Dit is belangrijk voor toekomstige manipulatie van Majorana-fermionen, nodig voor betere kwantumcomputers, " zei Wei. "Ook, de oppervlaktetoestand van goud is een tweedimensionaal systeem dat van nature schaalbaar is, wat betekent dat het de bouw van Majorana-fermioncircuits mogelijk maakt."

Naast Wei, Moedera, en Leen, het onderzoeksteam omvat ook Sujit Manna en Marius Eich van MIT.