Ein entscheidender Fortschritt für die Quantentechnologie

Die häufigsten Teilchen sind Elektronen und Photonen, die als Beispiele aus den großen Familien der Fermionen und Bosonen verstanden werden, zu denen alle anderen Teilchen in der Natur gehören. Aber es gibt noch eine andere mögliche Kategorie von Teilchen, die sogenannten Anyons. Es wird vorhergesagt, dass Anyone in Materialien entstehen, die klein genug sind, um die elektronische Zustandswellenfunktion einzuschränken, wenn sie aus dem kollektiven Tanz vieler interagierender Elektronen hervorgehen.

Einer davon heißt Majorana-Nullmodus, Anyonic-Cousins ​​der Majorana-Fermionen, die 1937 von Ettore Majorana vorgeschlagen wurden. Majoranas, wie diese hypothetischen Anyons liebevoll genannt werden, sollen zahlreiche exotische Eigenschaften aufweisen, wie z. B. das gleichzeitige Verhalten wie ein Teilchen und ein Antiteilchen, die gegenseitige Vernichtung ermöglichen, und die Fähigkeit, Quanteninformationen zu verbergen, indem sie nichtlokal im Raum kodiert werden. Die letztgenannte Eigenschaft verspricht insbesondere widerstandsfähiges Quantencomputing.

Seit 2010 haben viele Forschungsgruppen versucht, Majoranas zu finden. Im Gegensatz zu elementaren Teilchen wie dem Elektron oder dem Photon, die natürlicherweise im Vakuum existieren, müssen Majorana-Anone in Hybridmaterialien erzeugt werden. Eine der vielversprechendsten Plattformen für deren Realisierung basiert auf hybride Supraleiter-Halbleiter-Nanobauelemente. In den letzten zehn Jahren wurden diese Geräte bis ins kleinste Detail untersucht, in der Hoffnung, die Existenz von Majoranas eindeutig beweisen zu können. Majoranas sind jedoch knifflige Einheiten, die leicht übersehen oder mit anderen Quantenzuständen verwechselt werden.

In einem neuen Artikel, erschienen in Naturhaben Wissenschaftler weiteres Licht in das Mysterium der Majorana-Physik geworfen. Zum ersten Mal wurden zwei etablierte Techniken gleichzeitig auf ein und dasselbe Gerät angewendet. Zu ihrer Überraschung stellten die Forscher fest, dass die mit einer Technik (Coulomb-Spektroskopie) beobachteten Zustände, die auf den ersten Blick stark auf Majoranas hindeuten, nicht vorhanden waren, wenn man sie aus der anderen Perspektive betrachtete, die die zweite Technik (Tunnelspektroskopie) bietet.

Die Beobachtungen ähneln dem folgenden metaphorischen Szenario. Auf der Suche nach dem sagenumwobenen Majorana-Rockstar spähen Sie durch eine (Quellen-)Tür zu einer Bar. Ein Konzert scheint stattzufinden. Sie sehen deutlich einen bemerkenswerten Rockstar auf der Bühne, gekleidet in ein Majorana-Outfit, der das Majorana-Lied singt. Die Bar ist voll von Majorana-Fans, die ihn bewundernd beobachten. Als man jedoch am anderen Ende der Bar eine große (Abfluss-)Tür öffnet, eilen die Fans aus dem Lokal – unter ihnen auch der vermeintliche Rockstar. Als wahrer Künstler würde die echte Majorana so etwas niemals tun.

„Genau das macht Majoranas so besonders. Ähnlich wie die wahren Rockstars die Bühne nicht einfach verlassen, wenn ein Ausgang verfügbar ist, bleibt der Majorana Anyon aufgrund eines tiefgreifenden mathematischen Prinzips, das als topologischer Schutz bezeichnet wird, an einer Seite des Nanogeräts festgenagelt wenn normale Elektronen durch die gegenüberliegende Seite entweichen können“, erklären die Forscher.

„Wir wollten herausfinden, wie man sieht, ob es einen Majorana gibt oder nicht. Unter unseren experimentellen Bedingungen sind die Türen nichts anderes als Tunnelbarrieren, in denen Elektronen ein- und ausgeschickt werden. Es gibt eine Drain-Tür und eine Source-Tür zwei Spektroskopiemethoden gleichzeitig, stellt sich heraus, dass unser Majorana-Rockstar-Betrüger eine andere Art von Quasiteilchen ist. Verstehen Sie uns nicht falsch, das sind interessante Supraleiter-Quasiteilchen, aber keine Majoranas“, fahren die Wissenschaftler fort.

Die Ergebnisse unterstreichen die Tatsache, dass überzeugende Majorana-Betrüger überall sind. Sie können in vielen verschiedenen Gerätetypen vorkommen und individuell unterschiedliche Messstrategien täuschen. Die Kombination zweier Messstrategien, die auf dasselbe Gerät angewendet wurden, enthüllte den Betrüger durch ein scheinbares Paradoxon, ein Ansatz, der die Mehrdeutigkeiten bei der Interpretation zukünftiger Experimente drastisch reduzieren könnte. Dies ist ein dringend benötigter Schritt, um die schwer fassbare Majorana zu fangen und schließlich damit zu beginnen, ihre Macht zu nutzen.