De meeste materialen bevatten veel elektronen, die elk een negatieve lading hebben en een soort intrinsiek kwantummomentum dat bekend staat als spin. Interacties tussen elektronen in sommige materialen kunnen opkomende deeltjes produceren, of deeltjes die geheel andere kenmerken hebben dan de elektronen waaruit ze bestaan. Voorbeelden zijn onder meer materialen waarin de lading deels wordt gesplitst en materialen waarbij de ladingseenheid in kleinere fracties uiteenvalt.

Majorana's, die in deze categorie van opkomende deeltjes vallen, kunnen voorkomen in bepaalde soorten supergeleiders en in een kwantumtoestand van materie die bekend staat als een spinvloeistof. Twee Majorana's vormen samen een elektron, dus wetenschappers proberen materialen te identificeren waarin deze Majorana's afzonderlijk kunnen voorkomen. Door dit te doen zouden onderzoekers de unieke mogelijkheden kunnen observeren die deze deeltjes op zichzelf demonstreren, inclusief efficiënte methoden voor het opslaan en overbrengen van informatie over grote afstanden.

Om dit doel te bereiken heeft een team van onderzoekers, waaronder Amir Yacoby van de Universiteit van Harvard, lid van het Quantum Science Center met het hoofdkantoor in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, een overzichtsartikel gepubliceerd in Science over de stand van zaken op het gebied van Majorana-onderzoek. Het QSC is een DOE National Quantum Information Science Research Center.

Het team, bestaande uit onderzoekers van Harvard, Princeton University en de Vrije Universiteit van Berlijn, richt zich op het bestuderen van Majorana-gedrag om de kennis over de potentiële toepassingen van deze deeltjes en hun impact op fundamentele wetenschappelijke fenomenen te vergroten.

"Deze eigenaardige deeltjes bestaan ​​alleen in bepaalde materialen", zei Yacoby. "De vragen zijn dus:in welke materialen bestaan ​​ze en hoe? En welke soorten tests kunnen we doen om te bepalen of een bepaald materiaal de potentie heeft om Majorana's te huisvesten? Het beantwoorden van deze vragen is een van de belangrijkste uitdagingen op dit gebied. "

In hun artikel beschrijven de onderzoekers de vooruitgang die de afgelopen tien jaar is geboekt en richten ze zich primair op de vier platforms die veelbelovend zijn voor het isoleren en meten van Majorana's:nanodraden, het fractionele quantum Hall-effect, topologische materialen en Josephson-knooppunten.

Nanodraden, de meest bestudeerde optie voor het realiseren van op Majorana gebaseerde kwantumsystemen, zijn dunne staafjes gemaakt van halfgeleidend materiaal. Een andere manier om een ​​atmosfeer te creëren die gastvrij is voor Majorana's is door het fractionele quantum Hall-effect mogelijk te maken, dat optreedt wanneer elektronen bewegen in een vlak dat onderhevig is aan een sterk magnetisch veld.

Veel topologische materialen zijn ook potentiële gastheren voor Majorana's vanwege hun schijnbaar tegenstrijdige structuur van binnengebieden die fungeren als elektrische isolatoren en buitengebieden die gemakkelijk elektriciteit geleiden. Tenslotte bestaan ​​Josephson-overgangen uit twee supergeleiders, gescheiden door een normaal stuk metaal of een halfgeleider. Eerdere QSC-onderzoeken hebben aangetoond dat deze supergeleidersandwiches zo kunnen worden ontworpen dat ze comfortabel Majorana's kunnen huisvesten.

"Als we nieuwe technieken toepassen op deze verschillende soorten materialen, ontdekken we vaak dingen die we niet hadden verwacht", zegt Yacoby. "Een deel van ons doel is om beter te begrijpen wat we precies zien in de handtekeningen die we waarnemen."

Dit onderzoek sluit aan bij de QSC-prioriteiten. De onderzoekers werken samen met andere QSC-leden, waaronder Prineha Narang van UCLA en Stephen Jesse van ORNL, om door te gaan met het bedenken van nieuwe theoretische en experimentele methodologieën gericht op het screenen van materialen op Majoranas.

"Via het QSC hebben we kunnen profiteren van nieuwe technologieën die opkomen binnen de kwantumwetenschappelijke gemeenschap", aldus Yacoby. "Deze omvatten nieuwe manieren om materie te meten en te onderzoeken om nieuwe tests te bedenken die ons zullen vertellen of een materiaal het overwegen waard is als mogelijke gastheer voor Majorana's of niet."