Un team congiunto di scienziati dell'Università della California, lungo il fiume, e il Massachusetts Institute of Technology si sta avvicinando alla conferma dell'esistenza di una particella quantistica esotica chiamata fermione di Majorana, cruciale per il calcolo quantistico tollerante ai guasti, il tipo di calcolo quantistico che risolve gli errori durante il suo funzionamento.

L'informatica quantistica utilizza i fenomeni quantistici per eseguire calcoli. I fermioni di Majorana esistono al confine di speciali superconduttori chiamati superconduttori topologici, che hanno un gap superconduttore al loro interno e ospitano fermioni di Majorana all'esterno, ai loro confini. I fermioni di Majorana sono uno degli oggetti più ricercati nella fisica quantistica perché sono le loro stesse antiparticelle, possono dividere a metà lo stato quantistico di un elettrone, e seguono statistiche diverse rispetto agli elettroni. Sebbene molti abbiano affermato di averli identificati, gli scienziati non sono ancora in grado di confermare la loro natura quantistica esotica.

Il team dell'UCR-MIT ha vinto la sfida sviluppando un nuovo sistema di materiali eterostrutturali, a base d'oro, che potrebbe essere potenzialmente utilizzato per dimostrare l'esistenza e la natura quantistica dei fermioni di Majorana. I materiali eterostrutturali sono costituiti da strati di materiali drasticamente dissimili che, insieme, mostrano funzionalità completamente diverse rispetto ai loro singoli livelli.

"Non è affatto banale trovare un sistema materiale che sia naturalmente un superconduttore topologico, " disse Peng Wei, un assistente professore di fisica e astronomia e uno sperimentatore della materia condensata, che ha co-condotto lo studio, che appare in Lettere di revisione fisica , con Jagadeesh Moodera e Patrick Lee del MIT. "Un materiale deve soddisfare diverse condizioni rigorose per diventare un superconduttore topologico".

Il fermione di Majorana, considerato la metà di un elettrone, si prevede che si trovi alle estremità di un nanofilo superconduttore topologico. interessante, due fermioni di Majorana possono combinarsi tra loro per formare un elettrone, consentendo agli stati quantistici dell'elettrone di essere archiviati in modo non locale, un vantaggio per il calcolo quantistico tollerante ai guasti.

Nel 2012, teorici del MIT, guidato da Lee, ha predetto che le eterostrutture dell'oro possono diventare un superconduttore topologico in condizioni rigorose. Gli esperimenti condotti dal team dell'UCR-MIT hanno raggiunto tutte le condizioni necessarie per le eterostrutture dell'oro.

"Raggiungere tale eterostruttura è molto impegnativo perché è necessario affrontare prima diverse sfide della fisica dei materiali, " ha detto Wei, un allume UCR che è tornato al campus nel 2016 dal MIT.

Wei ha spiegato che il documento di ricerca mostra la superconduttività, magnetismo, e l'accoppiamento spin-orbita degli elettroni può coesistere nell'oro - una sfida difficile da affrontare - ed essere miscelato manualmente con altri materiali attraverso eterostrutture.

"Superconduttività e magnetismo normalmente non coesistono nello stesso materiale, " Egli ha detto.

L'oro non è un superconduttore, Ha aggiunto, e nemmeno gli stati degli elettroni sulla sua superficie.

"Il nostro articolo mostra per la prima volta che la superconduttività può essere portata negli stati superficiali dell'oro, richiedendo una nuova fisica, " ha detto. " Mostriamo che è possibile rendere lo stato superficiale dell'oro un superconduttore, che non è mai stato mostrato prima."

Il documento di ricerca mostra anche che la densità elettronica della superconduttività negli stati superficiali dell'oro può essere sintonizzata.

"Questo è importante per la futura manipolazione dei fermioni di Majorana, necessario per una migliore informatica quantistica, " Wei ha detto. "Inoltre, lo stato superficiale dell'oro è un sistema bidimensionale naturalmente scalabile, il che significa che consente la costruzione di circuiti fermionici di Majorana."

Oltre a Wei, Moodera, e Lee, il team di ricerca comprende anche Sujit Manna e Marius Eich del MIT.