在最近的同類實(shí)驗(yàn)中，研究人員已經(jīng)獲得了迄今為止最令人信服的證據(jù)，即不尋常的顆粒潛伏在一種特殊的超導(dǎo)體中。這一結(jié)果證實(shí)了近十年前聯(lián)合量子研究所(JQI)和馬里蘭大學(xué)(UMD)首次提出的理論預(yù)測(cè)

被稱為Majorana準(zhǔn)粒子的偷渡者不同于普通物質(zhì)，如電子或夸克 - 構(gòu)成元素周期表元素的東西。與物理學(xué)家所知的不能分解成更基本的碎片的那些粒子不同，Majorana準(zhǔn)粒子來自許多原子和電子的協(xié)調(diào)圖案，并且僅在特殊條件下出現(xiàn)。它們具有獨(dú)特的功能，可以使它們成為一種量子計(jì)算機(jī)的骨干，研究人員多年來一直在追逐它們。

對(duì)于Majorana獵人來說，最新的結(jié)果是最誘人的，證實(shí)了許多理論預(yù)測(cè)，并為未來更精致的實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。在這項(xiàng)新工作中，研究人員測(cè)量了通過連接到超導(dǎo)鋁帶的超薄半導(dǎo)體的電流 - 這種配方將整個(gè)組合轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N特殊的超導(dǎo)體。

這種類型的實(shí)驗(yàn)將納米線暴露于強(qiáng)磁體，這為電線中的電子解鎖了一個(gè)額外的方式，以便在低溫下組織起來。通過這種額外的布置，預(yù)計(jì)電線將承載Majorana準(zhǔn)粒子，并且實(shí)驗(yàn)者可以通過仔細(xì)測(cè)量電線的電響應(yīng)來尋找其存在。

這項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)由來自荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的QuTech和微軟研究院的研究人員進(jìn)行，并在加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校和荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)制作混合材料樣本。實(shí)驗(yàn)者將他們的結(jié)果與JQI研究員Sankar Das Sarma和JQI研究生Chun-Xiao Liu的理論計(jì)算進(jìn)行了比較。

代爾夫特的同一組在2012年看到了Majorana的暗示，但測(cè)量的電效應(yīng)并沒有理論預(yù)測(cè)的那么大。現(xiàn)在已經(jīng)觀察到了完整的效果，即使實(shí)驗(yàn)者搖擺磁場(chǎng)或電場(chǎng)的強(qiáng)度，它仍然存在 - 這種強(qiáng)大性提供了更強(qiáng)的證據(jù)，證明實(shí)驗(yàn)已經(jīng)捕獲了Majorana，正如Liu在仔細(xì)的理論模擬中預(yù)測(cè)的那樣。

“我們已經(jīng)從2010年的理論配方中走了很長(zhǎng)一段路，就如何在半導(dǎo)體 - 超導(dǎo)體混合系統(tǒng)中創(chuàng)造Majorana粒子，”該論文的合著者Das Sarma說，他也是UMD凝聚態(tài)物理理論中心的主任。“但是，在我們尋找這些奇怪粒子的全部勝利之前，還有一段路可走。”

經(jīng)過多年對(duì)研究人員組裝納米線的方式的改進(jìn)，導(dǎo)致半導(dǎo)體線與鋁帶之間更清潔的接觸，取得了成功。在同一時(shí)間，理論家們已經(jīng)深入了解了Majoranas可能的實(shí)驗(yàn)簽名 - 由Das Sarma和UMD的幾位合作者開創(chuàng)的工作。

理論符合實(shí)驗(yàn)

2001年開始尋找在薄量子線中找到Majorana準(zhǔn)粒子的努力，當(dāng)時(shí)是微軟研究院的物理學(xué)家阿列克謝·基塔耶夫(Alexei Kitaev)。Kitaev現(xiàn)在在帕薩迪納的加州理工學(xué)院，他制造了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單但不切實(shí)際的系統(tǒng)，理論上它可以容納Majorana。但這種想象中的導(dǎo)線需要一種特定的超導(dǎo)性，這種超導(dǎo)性不是現(xiàn)成的，而其他人很快就開始尋找通過混合和匹配現(xiàn)有材料來模仿Kitaev的裝置的方法。

一個(gè)挑戰(zhàn)是弄清楚如何獲得超導(dǎo)體，這通常與偶數(shù)個(gè)電子 - 兩個(gè)，四個(gè)，六個(gè)等 - 開展業(yè)務(wù)，以允許奇數(shù)個(gè)電子，這種情況通常是不穩(wěn)定的，需要額外的能量來維持。奇數(shù)是必要的，因?yàn)镸ajorana準(zhǔn)粒子是毫不掩飾的奇怪球：它們只出現(xiàn)在奇數(shù)個(gè)電子的協(xié)調(diào)行為中。

2010年，在Kitaev的原始論文Das Sarma，JQI研究員Jay Deep Sau和JQI博士后研究員Roman Lutchyn以及第二組研究人員的近十年之后，他們開始研究制造這些特殊超導(dǎo)體的方法，并推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)從那時(shí)起搜索。他們建議將某種半導(dǎo)體與普通超導(dǎo)體結(jié)合起來并測(cè)量整個(gè)物體的電流。他們預(yù)測(cè)，兩種材料的結(jié)合，以及強(qiáng)大的磁場(chǎng)，將解開Majorana的排列并產(chǎn)生Kitaev的特殊材料。

他們還預(yù)測(cè)，Majorana可以通過電流流過這種納米線的方式顯露出來。如果將普通半導(dǎo)體連接到金屬線和電池，電子通常有可能從線上跳到半導(dǎo)體上并有可能被拒絕 - 細(xì)節(jié)取決于電子和材料的組成。但如果你改用Kitaev的納米線，就會(huì)發(fā)生完全不同的事情。電子總是被完美地反射回導(dǎo)線，但它不再是電子。它變成了科學(xué)家所說的一個(gè)洞 - 基本上是金屬中缺少電子的一個(gè)點(diǎn) - 并且它向相反的方向帶回正電荷。

物理學(xué)要求跨越界面的電流是守恒的，這意味著兩個(gè)電子必須最終進(jìn)入超導(dǎo)體以平衡正向電荷朝向另一個(gè)方向。奇怪的是，物理學(xué)家稱之為完美的安德列夫反射的這個(gè)過程即使在金屬中的電子沒有向邊界推動(dòng)時(shí)也會(huì)發(fā)生 - 也就是說，即使它們沒有連接到各種各樣的電池。這與Majorana是它自己的反粒子這一事實(shí)有關(guān)，這意味著在納米線中制造一對(duì)Majoranas不需要任何能量。Majorana排列為兩個(gè)電子提供了一些額外的操作空間，并允許它們作為量子化對(duì)穿過納米線 - 也就是說，一次只有兩個(gè)。

“正是Majoranas的存在產(chǎn)生了這種量子化的微分電導(dǎo)，”劉說，他運(yùn)行數(shù)值模擬來預(yù)測(cè)UMD的Deepthought2超級(jí)計(jì)算機(jī)集群的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。“正如實(shí)驗(yàn)所示，這種量化對(duì)于實(shí)驗(yàn)參數(shù)的微小變化甚至應(yīng)該是穩(wěn)健的。”

科學(xué)家將這種實(shí)驗(yàn)方式稱為隧道譜，因?yàn)殡娮油ㄟ^納米線到達(dá)另一側(cè)的量子路徑。它一直是捕獲Majoranas最近努力的焦點(diǎn)，但還有其他測(cè)試可以更直接地揭示粒子的奇特性質(zhì) - 測(cè)試可以充分證實(shí)Majoranas真的在那里。

“我們?cè)趯ふ疫@些奇異且難以捉摸的Majorana顆粒方面邁出了一大步，展示了過去五年材料改進(jìn)取得的巨大進(jìn)步，”Das Sarma說。“我確信這些奇怪的粒子存在于這些納米線中，但只有建立基礎(chǔ)物理學(xué)的非局部測(cè)量才能使證據(jù)具有決定性。”