Американские исследователи разработали несложную систему, позволяющую изучать элементарные частицы, обладающие уникальными характеристиками. Данное изобретение потенциально может найти применение при создании квантовых компьютеров.
Ученые из Массачусетского технологического института заявили об обнаружении фермионов Майораны — элементарных частиц, одновременно являющихся собственными античастицами — на поверхности золота. Подробное описание этого открытия представлено в научной статье опубликована в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
Эти частицы получили свое наименование в честь итальянского физика Этторе Майораны, предложившего теоретическое обоснование их возможного существования. Несмотря на соответствие майорановских фермионов ряду теоретических моделей, их поиск длился продолжительное время. Только в 2017 году физики из США и Китая смогли их идентифицировать, применив для этого сложную двухслойную конструкцию, включающую ниобиевый сверхпроводник и топологический изолятор, составленный из сурьмы, висмута и теллурида хрома.
Для обнаружения ученые применили конструкцию, состоящую из золотых нанонитей толщиной приблизительно четыре нанометра, содержащих ферромагнитный материал (сульфид европия), расположенных на подложке из сверхпроводящего ванадия. Используя туннельную микроскопию для сканирования поверхности золота вблизи ферромагнитных областей, исследователи выявили отчетливые пики сигналов, которые, как предполагает теория, могут быть результатом образования пар фермионов Майораны.
В каждом сверхпроводнике электроны перемещаются через дискретные энергетические уровни, разделенные запрещенными зонами. Наличие энергетических пиков в этих зонах указывает на существование пар, состоящих из частицы и античастицы.
«Майорановские фермионы — это редкое и необычное явление, наблюдение которого долгое время являлось целью ученых. Теперь их удалось обнаружить в простом материале, таком как золото, — об этом говорит Джагадиш Мудера, старший научный сотрудник физического факультета Массачусетского технологического института и один из авторов исследования. Он отмечает, что им удалось продемонстрировать существование этих фермионов, их стабильность и возможность масштабирования».
Ученые стремятся найти практическое применение необычным фермионам. Российский физик Алексей Китаев, ныне работающий в США, предполагает, что на фермионах Майораны возможно создание стабильных кубитов, используемых в квантовых вычислениях. Согласно его концепции, кубит – минимальный элемент для хранения информации в квантовом компьютере – будет формироваться из комбинаций пар фермионов, при этом каждый фермион будет отделен от своего «партнера». В случае воздействия шумовых искажений на один из членов пары, другой должен сохранить свою неизменность, что обеспечит целостность кубита и позволит ему корректно выполнять вычисления.
Исследования, проведенные учеными из Массачусетского технологического института, открывают перспективы для разработки систем с возможностью масштабирования до тысяч и даже миллионов кубитов. Ранее предложенные схемы на основе полупроводниковых структур для этого оказались недостаточно эффективными, поскольку они требуют высокой точности при создании полупроводниковых кристаллов и связаны со значительными трудозатратами. Структура, разработанная Мудерой и его командой, отличается стабильностью и экономической целесообразностью.