Una micrografia elettronica a scansione con vista inclinata di uno dei dispositivi a nanofili Majorana utilizzati nello studio. Il nanofilo è mostrato falso colorato in blu, che è parzialmente coperto dal superconduttore NbTiN mostrato in viola. I contatti gialli sono contatti metallici che possono essere utilizzati per applicare una tensione al dispositivo e misurare le proprietà superconduttive attraverso la conduttività del dispositivo. Credito:Bommer et al.
I ricercatori della Delft University of Technology hanno recentemente condotto uno studio sull'interazione spin-orbita nei nanofili Majorana. Il loro studio, pubblicato in Lettere di revisione fisica , è il primo a mostrare chiaramente il meccanismo che consente la creazione della sfuggente particella di Majorana, che potrebbe diventare l'elemento costitutivo di un tipo più stabile di computer quantistico.
"La nostra ricerca è finalizzata alla verifica sperimentale della modalità zero Majorana teoricamente proposta, "Jouri Bomber, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, detto a Phys.org via e-mail. "Questa particella, che è la sua stessa antiparticella, è di particolare interesse, perché si prevede che sia utile per lo sviluppo di un computer quantistico topologico".
L'informatica quantistica è un'area promettente dell'informatica che esplora l'uso di fenomeni quantistici e stati quantistici per archiviare informazioni e risolvere problemi computazionali. Nel futuro, i computer quantistici potrebbero affrontare problemi che i metodi di calcolo tradizionali non sono in grado di risolvere, per esempio, consentire la progettazione computazionale e deterministica di nuovi farmaci e molecole.
Sebbene questi computer possano avere notevoli vantaggi, la maggior parte degli approcci al calcolo quantistico soffre di una sensibilità al rumore nota come "decoerenza". I ricercatori hanno quindi sviluppato un nuovo tipo di computer quantistico che si basa su particelle Majorana, che sono intrinsecamente protetti dal rumore. Questa protezione "topologica" richiede superconduttività, un fenomeno che consente una corrente elettrica senza dissipazione.
"Codificando le informazioni quantistiche nella proprietà topologica dei modi zero di Majorana, l'errore/problema di decoerenza può essere risolto dal livello fondamentale del dispositivo, " ha spiegato Bommer. "Questo nuovo sistema è intrinsecamente protetto dal rumore, un problema che affligge approcci alternativi all'informatica quantistica. La protezione topologica dal rumore è molto simile alla memorizzazione di informazioni come un nodo in una fune:scuotendo leggermente la fune, il nodo non si scioglierà".
La creazione di Majoranas si basa su un campo magnetico, che è generalmente incompatibile con la superconduttività; una precisa esigenza di Majoranas. Una soluzione per superare questa limitazione è sfruttare l'interazione del movimento degli elettroni con i loro "magneti" interni " un fenomeno noto come interazione spin-orbita. In presenza di questa interazione, un materiale non sente così fortemente il campo magnetico richiesto da Majoranas, consentendo così la superconduttività.
"Ricerche precedenti hanno mostrato firme a sostegno dell'esistenza di modalità zero Majorana, anche se fino ad oggi c'è stato un considerevole dibattito se queste firme sperimentali possano essere imitate da altri fenomeni fisici, " ha spiegato Bommer. "Nella nostra recente pubblicazione, adottiamo un approccio diverso e indaghiamo le condizioni preliminari per creare una modalità zero Majorana. Per creare una Majorana, abbiamo bisogno di un nanofilo semiconduttore che abbia intrinsecamente un'interazione spin-orbita, che accoppiamo a un materiale superconduttore per far "perdere" la superconduttività nel nanofilo semiconduttore".
Finora, la maggior parte degli studi presupponeva la presenza di un'interazione spin-orbita in esperimenti che mostravano prove per i modi di Majorana. Ciò nonostante, nessuno aveva ancora studiato l'effetto di questa interazione nei fili Majorana superconduttori e semiconduttori, che è cruciale per la creazione di queste modalità.
"Nel nostro studio, abbiamo rivelato questo effetto e misurato direttamente questa interazione spin-orbita e la sua forza, " ha detto Bommer. "Abbiamo ottenuto questo studiando l'effetto dei campi magnetici in varie direzioni diverse sulla superconduttività".
Tipicamente, i campi magnetici sopprimono la superconduttività chiudendo il gap energetico superconduttore. L'interazione spin-orbita contrasta questa soppressione quando il campo magnetico punta lungo direzioni specifiche. Nel loro esperimento di trasporto di elettroni, perciò, i ricercatori hanno richiesto un campo magnetico più forte per colmare questo divario.
Effettuando calcoli teorici e confrontandoli con i loro dati sperimentali, Bommer ei suoi colleghi potrebbero stimare la forza dell'interazione spin-orbita. Questo parametro molto importante era precedentemente sconosciuto nei sistemi per applicazioni di calcolo quantistico topologico.
"Le nostre osservazioni mostrano che l'interazione spin-orbita, uno degli ingredienti essenziali per creare modalità Majorana, è presente nel sistema e quindi supporta le firme dei modi Majorana che sono stati precedentemente osservati, " ha spiegato Bommer. "Inoltre, la fisica osservata con cui l'interazione spin-orbita protegge la superconduttività è precisamente la fisica che è in ultima analisi responsabile della prevista resilienza al rumore (cioè protezione topologica) che ci si aspetta da un computer quantistico topologico".
Lo studio condotto da Bommer e dai suoi colleghi mostra che la superconduttività e l'interazione spin-orbita possono essere presenti contemporaneamente, svelando i meccanismi attraverso i quali l'interazione spin-orbita protegge la superconduttività nei nanofili di Majorana. Le loro osservazioni mostrano che implementazioni più avanzate di questo sistema materiale dovrebbero anche beneficiare della protezione spin-orbita delle informazioni quantistiche e che la forza spin-orbita stimata fornisce un input importante per la progettazione di circuiti di calcolo quantistico.
I ricercatori stanno ora pianificando ulteriori ricerche volte a trovare nuove firme sperimentali per le modalità zero di Majorana utilizzando sistemi di materiali migliorati. Ad esempio, hanno cambiato il superconduttore NbTiN in un sottile strato di alluminio, che fornisce una superconduttività molto migliore.
"Stiamo anche cercando di osservare le particelle di Majorana su entrambe le estremità del filo contemporaneamente, che è un argomento forte per rivendicare l'osservazione dei veri modi Majorana, " ha detto Bommer. "Questi miglioramenti su cui stiamo lavorando sono necessari anche per realizzare la nostra ambizione di creare un computer quantistico che utilizzi le particelle di Majorana come elementi costitutivi. Questi esperimenti del prossimo futuro non serviranno solo come passaggi intermedi verso un qubit topologico, ma mostreranno anche la fisica di Majorana in un aspetto più fondamentale".
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