Natuurkundigen van het MIT en elders hebben bewijs waargenomen van Majorana-fermionen - deeltjes waarvan wordt aangenomen dat ze ook hun eigen antideeltje zijn - op het oppervlak van een gewoon metaal:goud. Dit is de eerste waarneming van Majorana-fermionen op een platform dat mogelijk kan worden opgeschaald. De resultaten, gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , zijn een belangrijke stap in de richting van het isoleren van de deeltjes als stabiel, foutbestendige qubits voor quantum computing.

In de deeltjesfysica, fermionen zijn een klasse van elementaire deeltjes die elektronen omvat, protonen, neutronen, en quarks, die allemaal de bouwstenen van de materie vormen. Voor het grootste gedeelte, deze deeltjes worden beschouwd als Dirac-fermionen, naar de Engelse natuurkundige Paul Dirac, die als eerste voorspelde dat alle fermionische fundamentele deeltjes een tegenhanger zouden moeten hebben, ergens in het heelal, in de vorm van een antideeltje - in wezen, een identieke tweeling met tegengestelde lading.

1937, de Italiaanse theoretisch natuurkundige Ettore Majorana breidde de theorie van Dirac uit, voorspellen dat onder fermionen, er zouden wat deeltjes moeten zijn, sinds de naam Majorana-fermionen, die niet te onderscheiden zijn van hun antideeltjes. Mysterieus, de natuurkundige verdween tijdens een veerboottocht voor de Italiaanse kust, slechts een jaar nadat hij zijn voorspelling had gedaan. Sindsdien zijn wetenschappers op zoek naar het raadselachtige deeltje van Majorana. Er is gesuggereerd, maar niet bewezen dat het neutrino een Majorana-deeltje kan zijn. Anderzijds, theoretici hebben voorspeld dat Majorana-fermionen onder speciale omstandigheden ook in vaste stoffen kunnen voorkomen.

Nu heeft het door MIT geleide team bewijs gevonden van Majorana-fermionen in een materiaalsysteem dat ze hebben ontworpen en gefabriceerd, die bestaat uit nanodraden van goud die bovenop een supergeleidend materiaal zijn gegroeid, vanadium, en bezaaid met kleine, ferromagnetische "eilanden" van europiumsulfide. Toen de onderzoekers het oppervlak bij de eilanden scanden, ze zagen kenmerkende signaalpieken in de buurt van nul energie op het bovenste oppervlak van goud dat, volgens de theorie, mag alleen worden gegenereerd door paren Majorana-fermionen.

"Majorana-ferminons zijn deze exotische dingen, die lang een droom zijn geweest om te zien, en we zien ze nu in een heel eenvoudig materiaal - goud, " zegt Jagadeesh Moodera, een senior onderzoeker bij het MIT's Department of Physics. "We hebben laten zien dat ze er zijn, en stabiel, en eenvoudig schaalbaar."

"De volgende stap zal zijn om deze objecten te nemen en er qubits van te maken, wat een enorme vooruitgang zou zijn in de richting van praktische kwantumcomputers, " voegt co-auteur Patrick Lee toe, de William en Emma Rogers hoogleraar natuurkunde aan het MIT.

Lee en Moodera's co-auteurs zijn onder meer voormalig MIT-postdoc en eerste auteur Sujit Manna (momenteel verbonden aan de faculteit van het Indian Institute of Technology in Delhi), en voormalig MIT-postdoc Peng Wei van de Universiteit van Californië in Riverside, samen met Yingming Xie en Kam Tuen Law van de Hong Kong University of Science and Technology.

Hoog risico

Als ze konden worden ingezet, Majorana-fermionen zouden ideaal zijn als qubits, of individuele rekeneenheden voor kwantumcomputers. Het idee is dat een qubit zou worden gemaakt van combinaties van paren Majorana-fermionen, die elk van hun partner zouden worden gescheiden. Als ruisfouten een lid van het paar treffen, de ander moet onaangetast blijven, waardoor de integriteit van de qubit behouden blijft en deze een berekening correct kan uitvoeren.

Wetenschappers hebben gezocht naar Majorana-fermionen in halfgeleiders, de materialen die worden gebruikt in conventionele, op transistors gebaseerde computers. In hun experimenten, onderzoekers hebben halfgeleiders gecombineerd met supergeleiders - materialen waardoor elektronen zonder weerstand kunnen reizen. Deze combinatie verleent supergeleidende eigenschappen aan conventionele halfgeleiders, waarvan fysici denken dat ze deeltjes in de halfgeleider moeten laten splijten, vormen het paar Majorana-fermionen.

"Er zijn verschillende materiële platforms waar mensen denken dat ze Majorana-deeltjes hebben gezien, Lee zegt. Het bewijs is sterker en sterker, maar het is nog steeds niet 100 procent bewezen."

Bovendien, de op halfgeleiders gebaseerde opstellingen tot nu toe waren moeilijk op te schalen om de duizenden of miljoenen qubits te produceren die nodig zijn voor een praktische kwantumcomputer, omdat ze zeer nauwkeurige kristallen van halfgeleidend materiaal nodig hebben en het een grote uitdaging is om deze om te zetten in hoogwaardige supergeleiders.

Ongeveer een decennium geleden, Lee, werken met zijn afgestudeerde student Andrew Potter, had een idee:misschien kunnen natuurkundigen Majorana-fermionen in metaal waarnemen, een materiaal dat gemakkelijk supergeleidend wordt in de buurt van een supergeleider. Wetenschappers maken routinematig metalen, inclusief goud, in supergeleiders. Lee's idee was om te zien of de oppervlaktetoestand van goud - de bovenste laag atomen - supergeleidend kon worden gemaakt. Als dit zou kunnen worden bereikt, dan zou goud kunnen dienen als een schoon, atomair nauwkeurig systeem waarin onderzoekers Majorana-fermionen konden waarnemen.

Lee stelde voor, gebaseerd op Moodera's eerdere werk met ferromagnetische isolatoren, dat als het bovenop een supergeleidende oppervlaktetoestand van goud zou worden geplaatst, dan zouden onderzoekers een goede kans moeten hebben om handtekeningen van Majorana-fermionen duidelijk te zien.

"Toen we dit voor het eerst voorstelden, Ik kon niet veel experimentatoren overtuigen om het te proberen, omdat de technologie ontmoedigend was, ", zegt Lee, die uiteindelijk samenwerkte met Moodera's experimentele groep om cruciale financiering van de Templeton Foundation binnen te halen om het ontwerp te realiseren. "Jagadeesh en Peng moesten echt het wiel opnieuw uitvinden. Het was buitengewoon moedig om hierin te springen, omdat het echt een hoog risico is, maar we denken dat een hoge uitbetaling, ding."

"Majorana vinden"

De afgelopen jaren, de onderzoekers hebben de oppervlaktetoestand van goud gekarakteriseerd en bewezen dat het zou kunnen werken als een platform voor het observeren van Majorana-fermionen, waarna de groep begon met het fabriceren van de opstelling die Lee jaren geleden voor ogen had.

Ze groeiden eerst een vel supergeleidend vanadium, waarop ze nanodraden van goudlaag legden, met een dikte van ongeveer 4 nanometer. Ze testten de geleidbaarheid van de bovenste laag van goud, en ontdekte dat het deed, in feite, supergeleidend worden in de buurt van het vanadium. Vervolgens legden ze zich neer op de gouden nanodraden "eilanden" van europiumsulfide, een ferromagnetisch materiaal dat in staat is om de benodigde interne magnetische velden te leveren om de Majorana-fermionen te creëren.

Het team paste vervolgens een kleine spanning toe en gebruikte scanning tunneling microscopie, een gespecialiseerde techniek waarmee de onderzoekers het energiespectrum rond elk eiland op het goudoppervlak konden scannen.

Moodera en zijn collega's zochten vervolgens naar een zeer specifieke energiesignatuur die alleen Majorana-fermionen zouden moeten produceren, als ze bestaan. In elk supergeleidend materiaal, elektronen reizen door op bepaalde energiebereiken. Er is echter een woestijn, of "energiekloof" waar er geen elektronen zouden moeten zijn. Als er een piek in deze opening zit, het is zeer waarschijnlijk een handtekening van Majorana-fermionen.

Door hun gegevens te kijken, de onderzoekers observeerden pieken in deze energiekloof aan tegenovergestelde uiteinden van verschillende eilanden in de richting van het magnetische veld, dat waren duidelijke handtekeningen van paren Majorana-fermionen.

"We zien deze piek alleen aan weerszijden van het eiland, zoals de theorie voorspelde, " zegt Moodera. "Ergens anders, je ziet het niet."

"In mijn gesprekken Ik zeg graag dat we Majorana vinden, op een eiland in een zee van goud, ’ voegt Lee eraan toe.

Moodera zegt dat de opzet van het team, waarvoor slechts drie lagen nodig zijn - goud ingeklemd tussen een ferromagneet en een supergeleider - is een "gemakkelijk haalbare, stabiel systeem" dat ook economisch schaalbaar moet zijn in vergelijking met conventionele, op halfgeleiders gebaseerde benaderingen om qubits te genereren.

"Het zien van een paar Majorana-fermionen is een belangrijke stap in de richting van het maken van een qubit, " zegt Wei. "De volgende stap is om van deze deeltjes een qubit te maken, en we hebben nu enkele ideeën om dit te doen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.