Quantenexperten überprüfen wichtige Techniken zur Isolierung von Majoranas

Majoranas, benannt nach einem italienischen theoretischen Physiker, sind komplexe Quasiteilchen, die der Schlüssel zum Aufbau von Quantencomputersystemen der nächsten Generation sein könnten.

Die meisten Materialien enthalten viele Elektronen, von denen jedes eine negative Ladung und eine Art intrinsischen Quantenimpuls hat, der als Spin bekannt ist. Durch Wechselwirkungen zwischen Elektronen in manchen Materialien können entstehende Partikel entstehen, also Partikel, die völlig andere Eigenschaften haben als die Elektronen, aus denen sie bestehen. Beispiele hierfür sind Materialien, bei denen sich Spin und Ladung trennen, und Materialien, bei denen die Ladungseinheit in kleinere Anteile zerfällt.

Majoranas, die in diese Kategorie entstehender Teilchen fallen, können in bestimmten Arten von Supraleitern und in einem Quantenzustand der Materie, der sogenannten Spinflüssigkeit, existieren. Da sich zwei Majoranas zu einem Elektron verbinden, wollen Wissenschaftler Materialien identifizieren, in denen diese Majoranas getrennt vorkommen können. Dies würde es den Forschern ermöglichen, die einzigartigen Fähigkeiten dieser Partikel zu beobachten – einschließlich effizienter Methoden zur Speicherung und Übertragung von Informationen über große Entfernungen.

Um dieses Ziel zu verfolgen, hat ein Forscherteam, zu dem auch Amir Yacoby von der Harvard University gehört, ein Mitglied des Quantum Science Center mit Sitz im Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums veröffentlichte einen Übersichtsartikel in Wissenschaft zum Stand der Majorana-Forschung. Das QSC ist ein DOE National Quantum Information Science Research Center.

Das Team, bestehend aus Forschern von Harvard, der Princeton University und der Freien Universität Berlin, konzentriert sich auf die Untersuchung des Majorana-Verhaltens, um das Wissen über die potenziellen Anwendungen dieser Partikel und ihren Einfluss auf grundlegende wissenschaftliche Phänomene zu verbessern.

„Diese besonderen Partikel kommen nur in bestimmten Materialien vor“, sagte Yacoby. „Die Fragen sind also: In welchen Materialien kommen sie vor und wie? Und welche Arten von Tests können wir durchführen, um festzustellen, ob ein bestimmtes Material das Potenzial hat, Majoranas zu beherbergen? Die Beantwortung dieser Fragen ist eine der größten Herausforderungen in diesem Bereich.“ „

In ihrer Arbeit beschreiben die Forscher die im letzten Jahrzehnt erzielten Fortschritte und konzentrieren sich vor allem auf die vier Plattformen, die für die Isolierung und Messung von Majoranas vielversprechend sind – Nanodrähte, den fraktionierten Quanten-Hall-Effekt, topologische Materialien und Josephson-Kontakte.

Nanodrähte, die am besten untersuchte Option zur Realisierung von Majorana-basierten Quantensystemen, sind dünne Stäbchen aus einem halbleitenden Material. Eine andere Möglichkeit, eine für Majoranas gastfreundliche Atmosphäre zu schaffen, besteht darin, den fraktionierten Quanten-Hall-Effekt zu ermöglichen, der auftritt, wenn sich Elektronen in einer Ebene bewegen und einem starken Magnetfeld ausgesetzt sind.

Viele topologische Materialien sind aufgrund ihrer scheinbar widersprüchlichen Struktur aus inneren Regionen, die als elektrische Isolatoren fungieren, und äußeren Regionen, die leicht Elektrizität leiten, auch potenzielle Wirte für Majoranas. Schließlich bestehen Josephson-Kontakte aus zwei Supraleitern, die durch ein normales Stück Metall oder einen Halbleiter getrennt sind. Frühere QSC-Studien haben gezeigt, dass diese Supraleiter-Sandwiches so konstruiert werden könnten, dass sie Majoranas bequem beherbergen könnten.

„Wenn wir neue Techniken auf diese verschiedenen Arten von Materialien anwenden, entdecken wir oft Dinge, die wir nicht erwartet hatten“, sagte Yacoby. „Ein Teil unseres Ziels besteht darin, besser zu verstehen, was genau wir in den von uns beobachteten Signaturen sehen.“

Diese Forschung steht im Einklang mit den Prioritäten von QSC. Die Forscher arbeiten mit anderen QSC-Mitgliedern zusammen, darunter Prineha Narang von der UCLA und Stephen Jesse vom ORNL, um weiterhin neue theoretische und experimentelle Methoden zum Screening von Materialien auf Majoranas zu entwickeln.

„Durch das QSC konnten wir von den neuen Technologien profitieren, die in der Quantenwissenschaftsgemeinschaft entstehen“, sagte Yacoby. „Dazu gehören neue Methoden zur Messung und Untersuchung von Materie, um neue Tests zu entwickeln, die uns sagen, ob ein Material als möglicher Wirt für Majoranas in Frage kommt oder nicht.“