Onderzoekers van het Department of Physics and the Cluster of Excellence "CUI:Advanced Imaging of Matter" van de Universität Hamburg en de University of California in Irvine hebben onlangs een nieuwe manier voorgesteld om topologische supergeleiders te karakteriseren door middel van multi-THz-pulse-experimenten.

Dit opent een weg naar het ondubbelzinnig identificeren van voorspelde exotische toestanden van materie en kan helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen voor toekomstige apparaten die kwantuminformatie vervoeren en verwerken.

Wetenschappers over de hele wereld werken aan het bouwen van schaalbare kwantumcomputers op basis van vaste stof. Een dergelijke klasse van materialen zijn topologische supergeleiders. Er wordt beweerd dat ze een bepaald soort collectieve kwantumtoestand herbergen, de niet-abelse anyons in de vorm van Majorana-fermionen aan hun grenzen. Door deze quasideeltjes rond te schuiven in netwerken van kwantumdraden, kunnen onderzoekers logische kwantumpoorten bouwen, de bouwstenen van kwantumcomputers.

Bulk in plaats van grenseigenschappen

Vroege handtekeningen van het bestaan ​​van Majorana's werden gerapporteerd op basis van metingen van kwantumtransport, maar later bleken deze studies onbetrouwbaar omdat Majorana's gemakkelijk kunnen worden verward met triviale grensexcitaties. De nieuwe theorie heeft een andere benadering. In plaats van de Majorana's aan de randen van het apparaat te onderzoeken, wordt het bulkmateriaal aangesproken. Vanwege de zogenaamde "bulk-boundary correspondentie" zijn Majorana's nauw verbonden met de topologie van de bulkbandstructuur van de supergeleider. In zekere zin ervaren de deeltjesexcitaties in het bulkmateriaal een "draai" met de Majorana's aan de grenzen. Deze sterke onderlinge koppeling kan worden bestudeerd door middel van tweedimensionale THz-spectroscopie, een techniek die veel wordt gebruikt in moleculen en bulkmaterie.

"In tegenstelling tot 'lineaire' absorptiespectroscopie, stellen niet-lineaire multi-pulsexperimenten ons in staat om de optische respons van geëxciteerde deeltjes te bestuderen en zo deze 'draaiing' duidelijk te onthullen, met unieke handtekeningen van de exotische topologische toestand in de 2D-spectra", zegt prof. Dr. Michael Thorwart van Universität Hamburg en wetenschapper in de Cluster of Excellence.

Verschijnen in Fysieke beoordelingsbrieven , formuleert het theorievoorstel een belangrijke stap tussen de detectie van de meest basale maar niet volledig kenmerkende eigenschappen van Majorana's en de nog te ambitieuze demonstratie van de logische poortoperaties met niet-abelse anyons in de vorm van vlechten van Majorana-staten.

"Dergelijke optische technieken leveren spectroscopische informatie op die verder gaat dan beeldvorming en zorgen voor een onbetwistbare karakterisering van topologische materialen. Als zodanig kunnen ze een brug slaan naar hun verre toepassingen in kwantumtechnologieën", voegt Felix Gerken, hoofdauteur en Ph.D. student aan de CUI-Graduate School of the Cluster of Excellence. + Verder verkennen

Majorana-fermionen hebben potentieel voor informatietechnologie zonder weerstand