Майоранівські частинки є дуже своєрідними членами сімейства елементарних частинок. Вперше передречені в 1937 році італійським фізиком Етторе Майорана, ці частинки належать до групи так званих ферміонів, яка також включає в себе електрони, нейтрони і протони.
Майоранівські ферміони електрично нейтральні, а також є власними античастинками. Ці екзотичні частинки можуть, наприклад, виступати як квазічастинки в топологічних надпровідниках і представляти собою ідеальні будівельні блоки для топологічних квантових комп'ютерів.
На шляху до таких топологічних квантових комп'ютерів на основі майоранівських квазічастинок фізики з Вюрцбурзького університету разом з колегами з Гарвардського університету зробили важливий крок: тоді як попередні експерименти в цій області були в основному зосереджені на одномірних системах командам з Вюрцбурга і Гарварда вдалося перейти до упереджених систем.
В рамках цієї співпраці групи Евеліни Ханкевич і Лорен Моленкамп з Вюрцбурзького університету об'єдналися з групами Аміра Якобі і Бертрана Гальперіна з Гарвардського університету. Їх висновки представлені в поточному номері наукового журналу Nature.
«Реалізація майоранівських ферміонів - одна з найбільш інтенсивно вивчених тем у фізиці конденсованих середовищ», - говорить Евеліна Ханкевич. За її словами, попередні реалізації зазвичай були зосереджені на одномірних системах, таких як нанопроволоки. Вона пояснює, що маніпулювання майорановими ферміонами в цих установках дуже складно. Тому потрібно було б значних зусиль, щоб зробити майоранівські ферміони в цих установках в кінцевому підсумку застосовними для квантових обчислень.
Щоб уникнути деяких з цих труднощів, дослідники вивчали майоранівські ферміони в почесній системі з сильним спін-орбітальним зв'язком. "Система, яку ми досліджуємо, являє собою так званий джозефсонівський перехід з фазовим управлінням, тобто два надпровідники, розділені нормальною областю, - пояснює Лорен Моленкамп. Надпровідна різниця фаз між двома надпровідниками забезпечує додаткову можливість, яка робить складне точне налаштування інших параметрів системи, щонайменше, частково непотрібною.
У вивченому матеріалі, квантовій ямі телуріда ртуті, пов'язаній з надпровідним тонкоплівковим алюмінієм, фізики вперше спостерігали топологічний фазовий перехід, який передбачає появу майоранівських ферміонів у джозефсонівських переходах з фазовим управлінням.
Реалізована експериментальна установка являє собою універсальну платформу для створення і управління ферміонами Майорана, яка пропонує кілька переваг порівняно з попередніми одномірними платформами. За словами вчених, «це важливий крок на шляху до поліпшення контролю над майоранівськими ферміонами».
Доказ концепції топологічного надпровідника на основі почесного джозефсонівського переходу відкриває нові можливості для дослідження майоранівських ферміонів у фізиці конденсованих середовищ. Зокрема, можна уникнути кількох обмежень попередніх реалізацій майоранівських ферміонів.
Водночас поліпшене управління майоранівськими ферміонами є важливим кроком до топологічних квантових комп'ютерів. Теоретично, такі комп'ютери можуть бути значно потужнішими, ніж звичайні комп'ютери. Таким чином, вони можуть революціонізувати комп'ютерні технології в майбутньому.