Een nieuwe FLEET-recensie met meerdere knooppunten, gepubliceerd in Matter , onderzoekt de zoektocht naar Majorana-fermionen in op ijzer gebaseerde supergeleiders.

Het ongrijpbare Majorana-fermion, of "engeldeeltje", voorgesteld door Ettore Majorana in 1937, gedraagt ​​zich tegelijkertijd als een deeltje en een antideeltje - en blijft verrassend stabiel in plaats van zelfdestructief te zijn.

Majorana-fermionen beloven informatie- en communicatietechnologie zonder weerstand, pakken het stijgende energieverbruik van moderne elektronica aan (al 8% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik) en beloven een duurzame toekomst voor computers.

Bovendien is het de aanwezigheid van Majorana-nulenergiemodi in topologische supergeleiders die deze exotische kwantummaterialen tot de belangrijkste kandidaatmaterialen hebben gemaakt voor het realiseren van topologische kwantumcomputers.

Het bestaan ​​van Majorana-fermionen in systemen van gecondenseerde materie zal FLEET helpen bij het zoeken naar toekomstige energiezuinige elektronische technologieën.

Het engelendeeltje:zowel materie als antimaterie

Fundamentele deeltjes zoals elektronen, protonen, neutronen, quarks en neutrino's (fermionen genaamd) hebben elk hun eigen antideeltjes. Een antideeltje heeft dezelfde massa als zijn gewone partner, maar tegengestelde elektrische lading en magnetisch moment.

Conventionele fermionen en anti-fermionen vormen materie en antimaterie en vernietigen elkaar wanneer ze worden gecombineerd.

"Het Majorana-fermion is de enige uitzondering op deze regel, een samengesteld deeltje dat zijn eigen antideeltje is", zegt corresponderend auteur prof. Xiaolin Wang (UOW).

Ondanks het intensieve zoeken naar Majorana-deeltjes, is de aanwijzing van het bestaan ​​ervan al tientallen jaren ongrijpbaar, omdat de twee tegenstrijdige eigenschappen (d.w.z. de positieve en negatieve lading) het neutraal maken en de interacties met de omgeving erg zwak zijn.

Topologische supergeleiders:vruchtbare grond voor het engeldeeltje

Hoewel het bestaan ​​van het Majorana-deeltje nog moet worden ontdekt, ondanks uitgebreide zoektochten in hoge-energetische fysica-faciliteiten zoals CERN, kan het bestaan ​​als een enkel-deeltje-excitatie in systemen van gecondenseerde materie waar bandtopologie en supergeleiding naast elkaar bestaan.

"In de afgelopen twee decennia zijn Majorana-deeltjes gerapporteerd in veel supergeleider-heterostructuren en hebben ze een sterk potentieel aangetoond in kwantumcomputertoepassingen", aldus Dr. Muhammad Nadeem, een FLEET-postdoc bij UOW.

Een paar jaar geleden werd gemeld dat een nieuw type materiaal, op ijzer gebaseerde topologische supergeleiders genaamd, Majorana-deeltjes herbergt zonder de fabricage van heterostructuren, wat belangrijk is voor toepassing in echte apparaten.

"Ons artikel bespreekt de meest recente experimentele prestaties in deze materialen:hoe topologische supergeleidermaterialen te verkrijgen, experimentele observatie van de topologische toestand en detectie van Majorana-nulmodi", zegt eerste auteur UOW Ph.D. kandidaat Lina Sang.

In deze systemen kunnen quasideeltjes een bepaald type Majorana-fermion nabootsen, zoals "chiraal" Majorana-fermion, een die langs een eendimensionaal pad beweegt en Majorana "nulmodus", een die begrensd blijft in een nuldimensionale ruimte.

Toepassingen van de Majorana-nulmodus

Als dergelijke systemen van gecondenseerde materie, die Majorana-fermionen hosten, experimenteel toegankelijk zijn en kunnen worden gekarakteriseerd door een eenvoudige techniek, zou het onderzoekers helpen om de engineering van energiezuinige technologieën te sturen waarvan de functionaliteiten mogelijk worden gemaakt door gebruik te maken van unieke fysieke kenmerken van Majorana-fermionen, zoals als fouttolerante topologische kwantumcomputers en elektronica met ultralage energie.

Het hosten van Majorana-fermionen in topologische toestanden van materie, topologische isolatoren en Weyl-halfmetalen zal worden besproken tijdens de grote internationale conferentie van deze maand over de fysica van halfgeleiders (ICPS), die wordt gehouden in Sydney, Australië.

De IOP 2021 Quantum Materials Roadmap onderzoekt de rol van op intrinsieke spin-orbitkoppeling (SOC) gebaseerde kwantummaterialen voor topologische apparaten op basis van Majorana-modi, en legt bewijs op de grens tussen sterke SOC-materialen en supergeleiders, evenals in een op ijzer gebaseerde supergeleider. + Verder verkennen

Een magnetische methode om het transport van chirale Majorana-fermionen te regelen