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>出版社>神秘的Majorana准粒子现在更接近于量子计算的控制:普林斯顿的研究人员发现了一个强大的Majorana准粒子,并展示了它是如何被打开和关闭的。

利用扫描隧道显微镜(STM)观察了在超导表面生长的铋薄膜的原子步骤中拓扑边缘通道(黄色区域)末端出现的马略安娜准粒子(绿峰)。小磁簇被视为装饰这些边缘角的小凸起。在磁团和边缘通道之间的界面上,实验检测到了稳定的马略拉娜准粒子,但只有当团簇磁化点沿着通道时,普林斯顿大学的Credityazdani实验室
利用扫描隧道显微镜(STM)观察了在超导表面生长的铋薄膜的原子步骤中拓扑边缘通道(黄色区域)末端出现的马略安娜准粒子(绿峰)。小磁簇被视为装饰这些边缘角的小凸起。在磁团和边缘通道之间的界面上,实验检测到了稳定的马略拉娜准粒子,但只有当团簇磁化点沿着通道时,普林斯顿大学的Credityazdani实验室

摘要:
像意大利科学家一样神秘马略拉纳粒子是物理学中最引人注目的问题之一。

神秘的Majorana准粒子现在更接近于量子计算的控制:普林斯顿的研究人员发现了一个强大的Majorana准粒子,并展示了它是如何被打开和关闭的。

普林斯顿,NJ 6月14日发布,二千零一十九

它的名声源于其奇特的性质——它是唯一一个拥有自己反粒子的粒子——以及它在未来量子计算中被利用的潜力。

近年来,包括普林斯顿大学的一个研究小组在内的少数研究小组报告说,他们在各种材料中发现了马略安娜号。但问题是如何操纵它进行量子计算。

在本周发表的一项新研究中,普林斯顿研究小组报告了一种控制马略拉娜准粒子的方法,这种方法也使它们变得更健壮。这种装置结合了一个超导体和一种称为拓扑绝缘体的外来材料,使得马略拉纳斯特别有弹性,能够抵抗外部环境的热量或振动的破坏。更重要的是,该小组演示了一种使用集成到设备中的小磁铁来打开或关闭马略安娜的方法。该报告发表在《科学》杂志上。

阿里亚兹达尼说:“通过这项新的研究,我们现在有了一种新的方法来设计材料中的Majorana准粒子。”1909年班物理教授和高级作者的研究。“我们可以通过成像来验证它们的存在,我们可以表征它们的预测属性。”

马略拉纳是以物理学家埃托·马略拉纳命名的,他在1937年预测了粒子的存在,仅仅一年之后,在意大利海岸的一次渡船旅行中,粒子神秘地消失了。基于物理学家保罗·狄拉克在1928年预测电子必须有反粒子的相同逻辑,后来被鉴定为正电子,马略安娜将粒子的存在理论化,认为粒子本身就是反粒子。

通常物质和反物质结合在一起,它们在剧烈的能量释放中互相湮灭,但是马略拉纳人,当它们成对出现在特殊设计的电线两端时,相对稳定,与环境的相互作用较弱。这些对可以在两个不同的位置存储量子信息,使它们相对地具有抗干扰能力,因为要改变量子态,需要同时在电线两端进行操作。

这种能力吸引了技术专家,他们设想出一种制造量子比特的方法——量子计算的单位——比目前的方法更强大。量子系统因其解决当今计算机无法解决的问题的潜力而备受推崇,但它们需要维持一种称为叠加的脆弱状态,如果中断,可能导致系统故障。

基于Majorana的量子计算机将信息存储在成对的粒子中,并通过将它们编织在一起进行计算。计算结果将通过相互湮灭majoranas来确定。它可以导致电子(通过其电荷检测)的出现或者什么都没有,这取决于这对马略拉纳斯是如何编成辫子的。马略安娜对湮灭的概率结果是量子计算的基础。

挑战在于如何创造和轻松控制马略拉纳。它们能存在的地方之一是在超导床上一个单原子厚的磁原子链的末端。2014年,科学报告,亚兹达尼和合作者使用了扫描隧道显微镜(STM)。其中一个尖端被拖拽到原子上以揭示准粒子的存在,在位于超导体表面的铁原子链的两端找到大聚糖酶。

研究小组继续探测马略安娜的量子“自旋”,这是一种电子和其他亚原子粒子共有的性质。在2017年发表在《科学》杂志上的一份报告中,研究小组称,马略拉纳的自旋性质是一种独特的信号,通过它可以确定检测到的准粒子确实是马略拉纳。

在这项最新研究中,研究小组探索了另一个发现majoranas的预测地点:在与超导体接触时拓扑绝缘体边缘形成的通道中。超导体是一种电子可以无电阻运动的材料,拓扑绝缘体是电子只沿边缘流动的材料。

该理论预测,马略拉纳准粒子可以形成在与一块超导材料接触的拓扑绝缘体薄片的边缘。超导体的接近使电子沿拓扑绝缘体边缘无电阻地流动,它是如此的薄以至于可以被认为是一根电线。因为Majoranas是在电线末端形成的,应该可以通过切割电线使它们出现。

“这是一个预言,“这些年来它一直坐在那里,”亚兹达尼说。“我们决定探索如何真正制造这种结构,因为它有潜力制造出对材料缺陷和温度更为坚固的majoranas。”

研究小组在一块铌超导体上蒸发一薄层铋拓扑绝缘体,从而建立了这个结构。他们把纳米大小的磁记忆比特放在结构上以提供磁场,使电子流脱轨,产生与切割金属丝相同的效果。他们使用STM来可视化结构。

当用显微镜寻找马略拉纳星时,然而,研究人员起初对他们所看到的感到困惑。有时他们看到马略拉娜号出现,有时他们找不到。经过进一步的探索,他们认识到,只有当小磁铁在平行于电子沿通道流动方向的方向上被磁化时,马略拉纳才出现。

“当我们开始描述小磁铁的特性时,我们意识到它们是控制参数,”亚兹达尼说。位的磁化方向决定了majorana是否出现。这是一个开关。”

研究小组报告说,在这个系统中形成的马略拉娜准粒子非常强大,因为它产生的能量不同于系统中可能存在的其他准粒子。鲁棒性也源于它在拓扑边缘模式下的形成,这是固有的抗破坏能力。拓扑材料的名字来源于描述物体如何通过拉伸或弯曲变形的数学分支。因此,在拓扑材料中流动的电子将继续在任何凹痕或瑕疵周围移动。

资金由戈登和贝蒂穆尔基金会提供,美国海军研究办公室,美国国家能源科学基金会通过普林斯顿复合材料中心的NSF MRSEC项目,美国陆军研究办公室,亚力山大冯洪堡特基金会,西蒙斯调查员补助金,戴维和卢西尔帕卡德基金会,中国国家自然科学基金会,以及埃里克和温迪施密特转型技术基金。

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609-258-0541

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研究,“在拓扑保护的边缘通道中观察Majorana零模,”Berthold Jack,谢永龙,李健,三君贞,B.Andrei Bernevig和Ali Yazdani,6月13日在《科学》杂志在线发表,2019、

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