Движение электронов в кристаллических решетках некоторых материалов может стать основой множества интересных явлений. Группы электронов, имеющих схожее поведение, особенно при чрезвычайно низких температурах, могут рассматриваться как некие квазичастицы, обладающие свойствами иногда разительно отличающиеся от свойств электронов. Существование квазичастиц определяется теорией физики элементарных частиц, которая так же описывает их свойства и поведение, но до сих пор ученым не удавалось наблюдать не только непосредственно некоторые их квазичастиц, но даже и следы их существования.

Группа исследователей из Нидерландов создала установку, в которой они смогли сформировать квазичастицы, ведущие себя точно так, как теория описывает поведение майорановских фермионов (Majorana fermions). Майорановские фермионы являются одними из самых необычных квазичастиц, каждый фермион является своей собственной античастицей. Существование майорановских фермионов было предсказано в 1930-х годах, но до сих пор не удавалось обнаружить частицы, имеющие свойства майорановских фермионов.

Нидерландские ученые взяли очень тонкий нанопроводник из полупроводникового материала и совместили его с сверхпроводящим материалом. Удельные электрические свойства этой гибридной структуры обусловили создание двух неподвижных квазичастиц, находящихся строго в определенных местах нанопроводника. И эти частицы продемонстрировали поведение во многом схожее с поведением майорановских фермионов.

Физики-теоретики предсказали возможность существования квазичастиц, майорановских фермионов, в особом классе материалов, известных как топологические сверхпроводники. Внутренности этого материала имеют почти нулевое удельное электрическое сопротивление, но внешняя их "оболочка" ведет себя как обычный проводник, имеющий высокое электрическое сопротивление. Что бы реализовать столь необычную структуру топологического сверхпроводника исследователи поместили нанопроводник из полупроводникового материала (сплава сурьмы и индия, InSb) между золотым электродом и краем пластины сверхпроводящего материала (NbTiN). Готовая структура была помещена на кремниевое основание, на котором так же были сформированы цепи схемы управления и схемы съема информации об электронных свойствах нанопроводника.

Измеряя вольт-амперные характеристики в различных точках вдоль нанопроводника, исследователи обнаружили сильную реакцию в двух точках, тех, в которых ожидалось появление майорановских фермионов. Эти квазичастицы не двигались под влиянием магнитного поля и электрического тока, что указывает на то, что эти частицы электрически нейтральны. Эти эффекты сильнее всего проявлялись при температуре в 60 милликельвинов (0.06 градуса выше абсолютного нуля) и полностью исчезал уже при температуре 300 милликельвинов. Так же исследователи продемонстрировали, что когда сверхпроводящий материал был заменен золотым электродом, квазичастицы перестали формироваться. Это указало на необходимость присутствия сверхпроводящего материала и на то, что полученные квазичастицы вероятнее всего являются майорановскими фермионами.

Условия проведения экспериментов не позволили ученым проверить присутствие других отличительных свойств майорановских фермионов, которые были рассчитаны теоретически. Но в недалеком будущем исследователи собираются использовать другое сверхпроводящее устройство, известное как Джозефсоновское соединение (Josephson junction), с помощью которого могут быть изучены и другие свойства квазичастиц.

Но самым интересным и замечательным открытием является то, что квантовые свойства двух майорановских фермионов в нанопроводнике весьма связаны друг с другом. Поэтому вся система в целом представляет собой квантовый бит, кубит, и такие системы можно рассматривать как кандидаты на использование в будущих квантовых компьютерах. Достигнутые результаты являются очень важными и с точки зрения фундаментальной физики, если полученные квазичастицы действительно окажутся майорановскими фермионами, то это обнаружение станет первым в истории обнаружением этих необычных и таинственных частиц.

Загрузка...