Исследователи впервые посмотрели в "глаза" майорановским фермионам

Майорановские фермионы представляют собой частицы, которые потенциально могут быть использованы в качестве информационных блоков для квантового компьютера.

Эксперимент физиков из Швейцарского института нанонауки и Департамента физики Университета Базеля подтвердил их теорию, что майорановские фермионы могут быть получены и измерены в сверхпроводнике на конце проводов, изготовленных из отдельных атомов железа. Исследователям также удалось наблюдать волновые свойства майоранов, что впервые сделало видимыми их «изнутри».

Около 75 лет назад итальянский физик Этторе Майорана выдвинул гипотезу о существовании экзотических частиц, которые являются своими собственными античастицами. С тех пор интерес к этим частицам, известных как фермионы Майораны, значительно возрос, учитывая, что они могут играть определенную роль в создании квантового компьютера. Майораны уже очень хорошо описаны в теории. Тем не менее их изучение и получение экспериментальных доказательств является достаточно трудным, потому что они рождаются парами, но затем, как правило, сливаются с образованием одного нормального электрона. Поэтому требуются хитроумные комбинации и расположения различных материалов, чтобы удерживать два майорановских фермиона отдельно друг от друга.

Теперь группа под руководством профессора Эрнста Мейера (Ernst Meyer) использовала прогнозы и расчеты физиков-теоретиков, профессора Елены Клиновой и профессора Даниэля Лосса (Daniel Loss) (Швейцарский институт нанонауки и Департамент физики Университета Базеля), чтобы экспериментально измерить состояния, которые соответствуют фермионам Майораны. Исследователи испарили отдельные атомы железа на сверхпроводник, которые благодаря расположенным в один ряд атомам свинца выстроились в один ряд отдельных атомов. Провода имели длину всего до 70 нанометров.

Исследователи изучили эти моноатомные цепочки с помощью сканирующей туннельной микроскопии и впервые также с помощью атомно-силового микроскопа. Используя изображения и измерения, они обнаружили явные признаки существования единичных фермионов Майораны на концах проводов при определенных условиях и при определенной длине провода.

Несмотря на расстояние между ними, два майорановских фермиона на концах проводов все еще являлись связанными. Вместе они образовали новое состояние, распространенное по всему проводу, так что любое из них может быть занято ("1") или не занято ("0") электроном. Это бинарное свойство может служить в качестве основы для квантового бита (кубита) и означает, что майорановские фермионы, которые также очень устойчивы к ряду воздействий окружающей среды, являются перспективными кандидатами для создания будущего квантового компьютера.

Исследователи из Базеля не только показали, что одиночные майорановские фермионы могут быть получены и измерены на концах железного провода, они также выполнили первый эксперимент, который показал, что майорановские фермионы являются вытянутыми квантовыми объектами с внутренней структурой, как и предсказывали их коллеги-теоретики. На площади в несколько квадратных нанометров измерения показали ожидаемую волновую функцию с характерными колебаниями и двукратным временем распада, которые теперь были сделаны видимыми в первый раз.

Изображение, полученное атомно-силовым микроскопом, конца моноатомного железного провода. Ясно видимы отдельные атомы железа, а также «глаз» майорановских фермионов на конце