Il nanofilo è sospeso tra due conduttori metallici (viola). Il superconduttore in alluminio (blu) ne copre parte lasciando uno spazio di filo interno esposto fatto di indio e arsenico (arancione). Nella configurazione con il piccolo incrocio, gli scienziati si aspettavano di vedere i "semielettroni" separati nel superconduttore esposto - illustrato dai ritratti di Ettore Majorana, i fisici italiani da cui presero il nome. Ma non hanno trovato nulla. Nella configurazione con il grande incrocio, il nucleo esposto del filo formava un punto quantico e i suoi elettroni interagivano con gli elettroni nel rivestimento superconduttore formando il segnale di imitazione. Credito:IST Austria
I computer quantistici promettono grandi progressi in molti campi, dalla crittografia alla simulazione del ripiegamento delle proteine. Ancora, quale sistema fisico funzioni meglio per costruire i bit quantistici sottostanti è ancora una questione aperta. A differenza dei normali bit del computer, questi cosiddetti qubit non possono assumere solo i valori 0 e 1, ma anche miscele dei due. Sebbene ciò li renda potenzialmente molto utili, diventano anche molto instabili.
Un approccio per risolvere questo problema punta sui qubit topologici che codificano le informazioni nella loro disposizione spaziale. Ciò potrebbe fornire una base di calcolo più stabile e resistente agli errori rispetto ad altre configurazioni. Il problema è che nessuno ha mai trovato ancora un qubit topologico.
Un team internazionale di ricercatori dall'Austria, Copenaghen, e Madrid intorno a Marco Valentini del gruppo Nanoelectronics presso IST Austria hanno ora esaminato una configurazione che si prevedeva avrebbe prodotto le cosiddette modalità zero Majorana, l'ingrediente principale per un qubit topologico. Hanno scoperto che un segnale valido per tali modalità può in effetti essere una falsa bandiera.
Metà di un elettrone
L'apparato sperimentale è composto da un minuscolo filo di appena qualche centinaio di nanometri, qualche milionesimo di millimetro, lungo, cresciuto da Peter Krogstrup della Microsoft Quantum e dell'Università di Copenhagen. Questi nanofili opportunamente chiamati formano una connessione fluttuante tra due conduttori metallici su un chip. Sono rivestiti con un materiale superconduttore che perde tutta la resistenza elettrica a temperature molto basse. Il rivestimento arriva fino a una minuscola parte lasciata a un'estremità del filo, che costituisce una parte cruciale dell'allestimento:la giunzione. L'intero congegno viene quindi esposto a un campo magnetico.
Circuito stampato per il montaggio del campione di nanofili. Credito:IST Austria
Le teorie degli scienziati prevedevano che le modalità zero di Majorana, la base per il qubit topologico che stavano cercando, sarebbero dovute apparire nel nanofilo. Queste modalità zero di Majorana sono uno strano fenomeno, perché hanno iniziato come un trucco matematico per descrivere un elettrone nel filo come composto da due metà. Generalmente, i fisici non pensano agli elettroni come a qualcosa che può essere scisso, ma usando questa configurazione di nanofili avrebbe dovuto essere possibile separare questi "mezzi elettroni" e usarli come qubit.
"Eravamo entusiasti di lavorare su questa piattaforma materiale molto promettente, " spiega Marco Valentini, che è entrato a far parte di IST Austria come stagista prima di diventare un dottorato di ricerca. studente nel gruppo di Nanoelettronica. "Ciò che ci aspettavamo di vedere era il segnale delle modalità zero di Majorana nel nanofilo, ma non abbiamo trovato nulla. Primo, eravamo confusi, poi frustrato. Infine, e in stretta collaborazione con i nostri colleghi del gruppo Theory of Quantum Materials and Solid State Quantum Technologies di Madrid, abbiamo esaminato la configurazione, e ho scoperto cosa c'era che non andava".
Una falsa bandiera
Dopo aver tentato di trovare le firme dei modi zero di Majorana, i ricercatori hanno iniziato a variare la configurazione del nanocavo per verificare se eventuali effetti della sua architettura disturbassero il loro esperimento. "Abbiamo fatto diversi esperimenti su diverse configurazioni per scoprire cosa stava andando storto, " spiega Valentini. "Ci è voluto un po' di tempo, ma quando abbiamo raddoppiato la lunghezza della giunzione non rivestita da cento nanometri a duecento, abbiamo trovato il nostro colpevole".
Marco Valentini al lavoro in laboratorio. Credito:IST Austria
Quando la giunzione era abbastanza grande è successo quanto segue:il nanofilo interno esposto ha formato un cosiddetto punto quantico, un minuscolo granello di materia che mostra proprietà meccaniche quantistiche speciali a causa della sua geometria confinata. Gli elettroni in questo punto quantico potrebbero quindi interagire con quelli nel superconduttore di rivestimento accanto ad esso, e imitando così il segnale dei "mezzi elettroni" - i modi zero di Majorana - che gli scienziati stavano cercando.
"Questa conclusione inaspettata è arrivata dopo aver stabilito il modello teorico di come il punto quantico interagisce con il superconduttore in un campo magnetico e confrontato i dati sperimentali con simulazioni dettagliate eseguite da Fernando Peñaranda, un dottorato di ricerca studente della squadra di Madrid, "dice Valentini.
"Confondere questo segnale di imitazione per una modalità zero Majorana ci mostra quanto dobbiamo essere attenti nei nostri esperimenti e nelle nostre conclusioni, "Mette in guardia Valentini. "Anche se questo può sembrare un passo indietro nella ricerca delle modalità zero di Majorana, in realtà è un passo avanti cruciale nella comprensione dei nanofili e dei loro segnali sperimentali. Questa scoperta mostra che il ciclo della scoperta e dell'esame critico tra colleghi internazionali è fondamentale per il progresso della conoscenza scientifica".
