Perché è importante studiare le proprietà di spin dei nanofili quantistici unidimensionali?

I nanofili quantistici, che hanno lunghezza ma non larghezza o altezza, forniscono un ambiente unico per la formazione e il rilevamento di una quasiparticella nota come modalità zero di Majorana.

Un nuovo studio condotto dall'UNSW supera le precedenti difficoltà nel rilevare la modalità zero di Majorana, e produce un miglioramento significativo nella riproducibilità del dispositivo.

Le potenziali applicazioni per le modalità zero di Majorana includono computer quantistici topologici resistenti ai guasti, e la superconduttività topologica.

Fermioni di Majorana in fili 1-D

Un fermione di Majorana è una particella composita che è la propria antiparticella.

L'interesse accademico e commerciale di tale particella insolita deriva dal loro potenziale utilizzo in un computer quantistico topologico, previsto essere immune alla decoerenza che randomizza le preziose informazioni quantistiche.

Le modalità zero di Majorana possono essere create in fili quantistici realizzati con materiali speciali in cui esiste un forte accoppiamento tra le loro proprietà elettriche e magnetiche.

In particolare, Le modalità zero di Majorana possono essere create in semiconduttori unidimensionali (come i nanofili semiconduttori) quando accoppiati con un superconduttore.

In un nanofilo unidimensionale, le cui dimensioni perpendicolari alla lunghezza sono sufficientemente piccole da non consentire alcun movimento di particelle subatomiche, predominano gli effetti quantistici.

Nuovo metodo per rilevare il necessario gap spin-orbita

I sistemi a semiconduttore unidimensionali con una forte interazione spin-orbita stanno attirando grande attenzione a causa delle potenziali applicazioni nel calcolo quantistico topologico.

Lo "spin" magnetico di un elettrone è come una piccola barra magnetica, il cui orientamento può essere impostato con un campo magnetico applicato.

Nei materiali con una "interazione spin-orbita" lo spin di un elettrone è determinato dalla direzione del movimento, anche a campo magnetico nullo. Ciò consente tutta la manipolazione elettrica delle proprietà quantistiche magnetiche.

L'applicazione di un campo magnetico a un tale sistema può aprire un gap energetico tale che gli elettroni che si muovono in avanti hanno tutti la stessa polarizzazione di spin, e gli elettroni che si muovono all'indietro hanno la polarizzazione opposta. Questo "spin-gap" è un prerequisito per la formazione dei modi zero di Majorana.

Nonostante un intenso lavoro sperimentale, si è dimostrato estremamente difficile rilevare senza ambiguità questo spin-gap nei nanofili semiconduttori, poiché la caratteristica firma dello spin-gap (un tuffo nel suo plateau di conduttanza quando viene applicato un campo magnetico) è molto difficile da distinguere dall'inevitabile disturbo di fondo nei nanofili.

Il nuovo studio trova un nuovo, firma univoca per il divario spin-orbita che è impermeabile agli effetti di disturbo che affliggono studi precedenti.

"Questa firma diventerà di fatto lo standard per rilevare gli spin-gap in futuro, " dice l'autore principale Dr. Karina Hudson.

Riproducibilità

L'uso delle modalità zero di Majorana in un computer quantistico scalabile affronta un'ulteriore sfida a causa del disordine casuale e delle imperfezioni nei nanofili autoassemblati che ospitano l'MZM.

In precedenza era quasi impossibile fabbricare dispositivi riproducibili, con solo il 10% circa dei dispositivi funzionanti entro i parametri desiderati.

Gli ultimi risultati dell'UNSW mostrano un miglioramento significativo, con risultati riproducibili su sei dispositivi basati su tre diversi wafer di partenza.

"Questo lavoro apre una nuova strada per realizzare dispositivi completamente riproducibili, ", afferma l'autore corrispondente, il prof. Alex Hamilton UNSW).

"Nuove firme dello spin gap nei contatti dei punti quantici" è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura nel gennaio 2021.