Американские исследователи разработали сравнительно простую систему для наблюдения элементарных частиц с неординарными характеристиками. Это открытие может найти широкое практическое применение при создании квантовых вычислительных устройств.
В Массачусетском технологическом институте физики обнаружили на поверхности золота элементарные частицы, которые являются и собственной античастицей — фермионами Майораны. опубликована в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
Необычные частицы получили имя в честь итальянского физика Этторе Майораны, который обосновал теоретически возможность их существования. Несмотря на то, что майорановские фермионы хорошо подходили к многим моделям, долгое время не удавалось их обнаружить. Лишь в 2017 году группа физиков из США и Китая смогла это сделать, применив сложную двухслойную структуру из ниобиевого сверхпроводника и топологического изолятора из сурьмы, висмута и теллурида хрома.
В новом исследовании для обнаружения ученые применили систему из золотых нанонитей толщиной примерно четыре нанометра с добавлением ферромагнетика (сульфида европия) на сверхпроводящемsubstrat из ванадия. Облучая поверхность золота возле ферромагнитных участков с помощью туннельной микроскопии, исследователи зафиксировали специфические пики сигналов, которые по предположениям могут создаваться только парами фермионов Майораны.
В любом сверхпроводнике электроны движутся по определённым уровням энергии, изменяющимся ступенчато и разделённым запрещёнными зонами. Энергетические пики в этих зонах указывают на образование пар частица — античастица.
Майорановские фермионы — редкое явление, долгое время привлекавшее внимание ученых, и теперь его наблюдают в простом материале — золоте, — утверждает Джагадиш Мудера, старший научный сотрудник физического факультета Массачусетского технологического института. — Доказали их существование, стабильность и легкость масштабирования.
Ученые стремятся применить необычные фермионы в практике. По расчетам физика Алексея Китаева, работающего в США, на фермионах Майораны можно построить стабильные кубиты для квантовых вычислений. Предполагается, что кубит (базовый элемент хранения информации в квантовом компьютере) будет состоять из комбинаций пар фермионов, каждая из которых будет изолирована от своего «партнера». Если помехи повлияют на одного члена пары, другой должен остаться неизменным, сохраняя тем самым целостность кубита и позволяя ему выполнять вычисления правильно.
Исследования сотрудников Массачусетского технологического института позволяют создавать масштабируемые системы с тысячами и даже миллионами кубитов.
Ранее предлагавшиеся схемы полупроводниковых структур не подходят для этого из-за необходимости исключительной точности при выращивании полупроводниковых кристаллов и высокой трудоёмкости.
Предложенная Мудерой и его коллегами структура стабильна и экономически выгодна.