Gizemli Marioana quasiparticle artık kuantum hesaplama tarafından kontrol edilmeye daha yakın
Majorana parçacığı, fizikteki en çarpıcı araştırma konularından biridir ve gizemi, sanki adı bir İtalyan bilim adamından geliyormuş gibi. Ünü, kendine özgü özelliklerinden (kendisi bir antiparçacık olan tek parçacık türüdür) ve gelecekteki kuantum hesaplama potansiyelinden kaynaklanmaktadır. Son yıllarda, aralarında Princeton Üniversitesi'nden bir ekip de dahil olmak üzere bazı araştırma grupları, çeşitli materyallerde Malloran yarı parçacıklarını bulduklarını bildirdi, ancak asıl zorluk, kuantum hesaplama için nasıl kullanılacağı.
13 Haziran 2019'da Science'ta yayınlanan yeni bir çalışmada, Princeton Üniversitesi araştırma ekibi, Majorana quasiparticles'ı kontrol etmek için bir yöntem bildirdi ve bu da onları daha güçlü hale getirebilir. Bu yapı (bir süper iletken ve topolojik yalıtıcı olarak adlandırılan tuhaf bir malzeme ile birleştirildiğinde), Mallorana yarı parçacıklarını dış ortamdan gelen ısı veya titreşimden kaynaklanan hasara karşı özellikle dirençli hale getirir. Daha da önemlisi, ekip cihaza entegre küçük bir mıknatıs kullanarak Mallorana quasiparticles'ı açıp kapatmanın bir yöntemini gösterdi. Araştırmanın kıdemli yazarı fizik profesörü Ali Yazani şunları söyledi:
Bu yeni araştırma ile, Mallorana quasiparticles'ı görüntüleme yoluyla varlığını doğrulamak ve öngörücü özelliklerini tanımlamak için kullanılabilecek malzemelerdeki tasarım için yeni bir yönteme sahibiz. Majorana quasiparticles adını fizikçi Ettore Majorana'dan (Ettore Majorana) almıştır. 1937'de Mallorana bu parçacığın varlığını tahmin etti ve sadece bir yıl önce, bu parçacık İtalya sahilinde bir feribot gezisi sırasında gizemli bir şekilde ortadan kayboldu. Fizikçi Paul Dirac 1928'de bir elektronun bir antiparçacığa (daha sonra bir pozitron olarak tanımlanacak) sahip olması gerektiğini öngörmüştü. Mallorana aynı mantığa dayanarak ve teorik olarak böyle bir parçacığın varlığını çıkardı. .
Normalde, madde ve antimadde bir araya geldiğinde, şiddetli enerji salımı ile birbirlerini yok ederler, ancak özel olarak tasarlanmış tellerin her iki ucunda çiftler halinde göründüklerinde, nispeten kararlı olabilirler ve çevre ile zayıf bir şekilde etkileşime girebilirler. Bu kuantum çifti çifti, kuantum bilgisini iki farklı konumda depolayabilir, bu da onları parazite karşı nispeten sağlam hale getirir, çünkü kuantum durumunu değiştirmek için, kuantum telinin her iki ucunda aynı anda çalışmak gerekir. Bu yetenek, teknisyenleri mevcut yöntemlerden daha kararlı olan kübitleri (kuantum hesaplama birimleri) yapmak için bir yöntem geliştirmeye çekti.
Kuantum sistemleri, günümüz bilgisayarları tarafından çözülemeyen sorunları çözme potansiyelleri nedeniyle övgüyle karşılanmaktadır, ancak süperpozisyon denilen kırılgan bir durumu sürdürmeleri gerekmektedir.Bu durum ortadan kalkarsa, sistem arızasına neden olabilir. Mallorana'nın kuasipartiküllerine dayanan bir kuantum bilgisayar, bilgileri parçacık çiftleri halinde depolar ve birbirini örerek hesaplamalar yapar. Hesaplamanın sonucu, Malloana quasiparticle çiftinin nasıl dokunduğuna bağlı olarak, bir elektronun ortaya çıkmasına (yükü tarafından tespit edilir) veya hiçbir şeye neden olabilecek, Malloana'ların karşılıklı olarak yok edilmesiyle belirlenecektir. Mallorana'nın kuasipartiküllerinin yok olma olasılığı, kuantum hesaplamadaki kullanımının temelidir.
Buradaki zorluk, Mallorana'nın nasıl yaratılacağı ve kolayca kontrol edileceği. Var olabilecekleri yerlerden biri, süper iletken yatak üzerindeki tek atomlu kalın manyetik atom zincirinin sonundadır. Yazdani ve çalışma arkadaşları 2014 yılında Science dergisinde, yarı parçacıkların varlığını ortaya çıkarmak için bir ucun atomlar boyunca sürüklendiği bir tarama tünelleme mikroskobu (STM) kullanarak bir rapor yayınladılar. Mallorana parçacıkları süperiletken yüzeyindeki demir atomları zincirinin her iki ucunda da bulundu. Araştırma ekibi, elektronlar ve diğer atom altı parçacıklar tarafından paylaşılan özellikler olan Mallorana'nın kuasipartiküllerinin kuantum "dönüşlerini" tespit etmeye devam ediyor.
Science dergisinde 2017'de yayınlanan bir raporda ekip, Mallorana'nın kuasipartikülünün spin özelliğinin, tespit edilen quasiparticle'ın gerçekten bir at olduğunu belirlemek için kullanılabilecek benzersiz bir sinyal olduğunu belirtti. Loriana quasiparticle. Bu son çalışmada, araştırma ekibi Majorana'nın keşfi için öngörülen başka bir yeri araştırdı: Majorana kuasipartikülleri bir süperiletkenle temas halindeyken, topolojik bir yalıtkanın kenarında oluşan bir kanalda bulunuyorlar. Süper iletkenler, elektronların dirençsiz hareket edebildiği malzemelerdir ve topolojik yalıtıcılar, elektronların yalnızca kenarlar boyunca akabildiği malzemelerdir. Teori, Mallorana quasiparticle'larının süper iletken bir malzeme ile temas halinde olan bir topolojik yalıtkan tabakanın kenarında oluşturulabileceğini öngörüyor.
Süper iletkenin yakınlığı, elektronların topolojik yalıtkanın kenarı boyunca serbestçe akmasına izin verir ve topolojik yalıtkanın kenarı o kadar incedir ki bir tel olarak kabul edilebilir. Mallorana kuasipartikülleri telin ucunda oluştuğundan telin kesilerek görünmesi sağlanmalıdır. Bu bir tahmindir ve yıllardır bu yapının nasıl yapılacağını keşfederek değişmemiştir, çünkü Mallorana dörtlü parçacıklarını malzeme kusurlarına ve sıcaklığa karşı daha dirençli hale getirme potansiyeline sahiptir. Araştırma ekibi, bu yapıyı, bir niyobyum süperiletkeninde ince bir bizmut topolojik yalıtkanı tabakasını buharlaştırarak oluşturdu. Elektron akışının yörüngesini çözmek ve bir telin kesilmesiyle aynı etkiyi yaratmak için bir manyetik alan sağlamak için yapıya nanometre büyüklüğünde manyetik depolama bitleri yerleştirin. Yapıyı görselleştirmek için STM kullanılır.
Bununla birlikte, araştırmacılar Mallorana kuasipartiküllerini aramak için mikroskop kullandıklarında, başlangıçta gördükleriyle kafaları karıştı. Bazen Malloriana parçacıklarının göründüğünü gördüm, ama bazen bulamadım. Daha fazla araştırmadan sonra, Mallorana kuasipartiküllerinin yalnızca küçük mıknatıs, elektron akışının yönüne paralel kanal boyunca mıknatıslandığında ortaya çıktığı anlaşıldı. Bu küçük mıknatısların özelliklerini incelemeye başladıklarında, bilim adamları bunların kontrol parametreleri olduklarını fark ettiler ve matkap ucunun mıknatıslanma yönü, bir anahtar olan Mallorana'nın görünüp görünmeyeceğini belirler. Bu sistemde oluşan Mallorana yarı parçacığı çok kararlıdır çünkü enerjisi sistemde bulunabilecek diğer parçacıklardan farklıdır. Sağlamlık, aynı zamanda, doğal olarak yıkıma dirençli olan topolojik kenar modundan da kaynaklanmaktadır.
