На поверхности золота впервые обнаружили фермионы Майораны

Американские ученые предложили относительно простую систему, в которой можно наблюдать элементарные частицы с необычными свойствами. Изобретение может иметь важное практическое применение в области создания квантовых компьютеров.

Физики из Массачуссетского технологического института сообщили о том, что им удалось наблюдать обнаружить на поверхности золота элементарные частицы, одновременно являющиеся собственными античастицами — фермионы Майораны. Статья об этом открытии опубликована в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

Эти необычные частицы были названы в честь итальянского физика Этторе Майораны, который теоретически обосновал возможность их существования. Но, несмотря на то, что майорановские фермионы хорошо вписывались во многие модели, найти их не могли очень долго. Лишь в 2017 году группа физиков из США и Китая смогла их обнаружить, использовав для этого сложную двухслойную структуру, состоящую из ниобиевого сверхпроводника и топологического изолятора из сурьмы, висмута и теллурида хрома.

В новой работе для детекции ученые использовали систему из золотых нанонитей толщиной около четырех нанометров с вкраплениями ферромагнетика (сульфида европия) на сверхпроводящей ванадиевой подложке. Сканируя поверхность золота у ферромагнитных островков при помощи туннельной микроскопии, исследователи обнаружили характерные пики сигналов, которые, согласно теории, могут генерироваться лишь парами фермионов Майораны.

Дело в том, что в любом сверхпроводнике электроны проходят через определенные уровни энергии, изменяющиеся ступенчато и разделенные так называемыми запрещенными зонами. Энергетические пики, фиксируемые в этих зонах, являются признаками пар частица — античастица.

«Майорановские фермионы — экзотическое явление, которое [ученые] давно мечтали увидеть, и теперь мы наблюдаем их в очень простом материале — золоте, — говорит один из авторов работы Джагадиш Мудера, старший научный сотрудник физического факультета Массачусетского технологического института. — Мы показали, что они существуют, стабильны и легко масштабируются».

Следующая задача, которую хотят решить ученые, — практическое использование необычных фермионов. Согласно расчетам российского физика Алексея Китаева, ныне работающего в США, на фермионах Майораны можно построить стабильные кубиты для квантовых вычислений. Идея состоит в том, что кубит (минимальный элемент для хранения информации в квантовом компьютере) будет состоять из комбинаций пар фермионов, каждая из которых будет отделена от своего «партнера». Если шумовые искажения влияют на одного члена пары, другой должен остаться без изменений, тем самым сохраняя целостность кубита и позволяя ему правильно выполнять вычисления.

Работа исследователей из Массачусетского технологического института также дает возможность создавать системы, масштабируемые для создания тысяч и даже миллионов кубитов. Схемы полупроводниковых структур, предложенных в более ранних работах, для этого малопригодны, так как требуют исключительной точности при выращивании полупроводниковых кристаллов и чрезмерно трудоемки. Структура, предложенная Мудерой и его коллегами, стабильна и экономически выгодна.