Majorana-hiukkasia omituisesta suprajohteesta

Platina-vismutti-2-materiaalin (PtBi₂) sisällä tapahtuu jotain outoa. IFW Dresdenin ja Cluster of Excellence ct.qmat:n tutkijoiden uusi tutkimus osoittaa, että vaikka PtBi₂ saattaa näyttää tyypilliseltä kiiltävän harmaalta kiteeltä, sen läpi liikkuvat elektronit tekevät ennennäkemättömiä asioita.

Vuonna 2024 tutkimusryhmä osoitti, että materiaalin ylä- ja alapinta ovat suprajohtavia, mikä tarkoittaa, että elektronit muodostavat pareja ja liikkuvat ilman vastusta. Nyt he paljastavat, että tämä pariutuminen toimii eri tavalla kuin missään aiemmin näkemässämme suprajohteessa.

Houkuttelevaa kyllä, suprajohtavien pintojen ympärillä olevat reunat sisältävät kauan etsittyjä Majorana-hiukkasia, joita voidaan käyttää vikasietoisina kvanttibitteinä kvanttitietokoneissa.

Normaaleissa suprajohteissa kaikki elektronit muodostavat pareja riippumatta siitä, mihin suuntaan ne liikkuvat. Joillakin epätavanomaisilla suprajohteilla, kuten kupraattimateriaaleilla, on rajoitetumpi parien muodostuminen ja nelinkertainen rotaatiosymmetria. PtBi₂ on ensimmäinen suprajohde, jolla on rajoitettu parien muodostuminen ja kuusinkertainen rotaatiosymmetria.

”Emme ole koskaan ennen nähneet tällaista. PtBi₂ ei ole ainoastaan topologinen suprajohde, vaan myös elektronien pariutuminen, joka tätä suprajohtavuutta aiheuttaa, on erilaista kuin kaikissa muissa tuntemissamme suprajohteissa”, Borisenko sanoo. ”Emme vielä ymmärrä, miten tämä pariutuminen tapahtuu.”

Reunat vangitsevat vaikeasti havaittavia Majoranan hiukkasia

Uusi tutkimus vahvistaa myös, että PtBi₂ tarjoaa uuden tavan tuottaa kauan kaivattuja Majorana-hiukkasia.

”Laskelmamme osoittavat, että PtBi₂:n topologinen suprajohtavuus luo automaattisesti Majorana-hiukkasia, jotka jäävät loukkuun materiaalin reunoille. Käytännössä voisimme keinotekoisesti tehdä kiteeseen porrasreunoja luodaksemme niin monta Majorana-hiukkasta kuin haluamme”, toteaa professori Jeroen van den Brink.

Majorana-hiukkasten pari toimii kuin yksi elektroni, mutta erikseen ne käyttäytyvät hyvin eri tavalla. Tämä "jakautuneiden elektronien" käsite on topologisen kvanttilaskennan perusta, jonka tavoitteena on rakentaa vakaampia kubitteja. Majorana-hiukkasparien erottelu suojaa niitä kohinalta ja virheiltä.

Nyt kun PtBi₂:n ainutlaatuinen suprajohtavuus ja siihen liittyvät majoranahiukkaset on löydetty, seuraava askel on niiden hallinta. Esimerkiksi materiaalin ohentaminen muuttaa suprajohtamatonta "voileipätäytettä", jolloin se voi mahdollisesti muuttua johtavasta metallista eristeeksi. Tämä tarkoittaa myös sitä, että suprajohtamattomat elektronit eivät voi häiritä Majorana-hiukkasten käyttöä kubitteina. Vaihtoehtoisesti magneettikentän käyttäminen siirtää elektronien energiatasoja ja voi esimerkiksi saada Majorana-hiukkaset siirtymään materiaalin reunoilta kulmiin.

Aiheesta aiemmin:

Suprajohtavuus, yksi molekyyli ja Majorana

Keskeinen askel kohti vikasietoista kvanttilaskentaa

Tavoitteena parempia kubitteja