Σημαντικό βήμα προς την επιβεβαίωση της ύπαρξης του σωμάτιου Majorana σε Υλικά – Εφαρμογές σε κβαντικούς υπολογιστές

Ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τους Takuto Kawakami, ειδικού ερευνητή του NIMS και Xiao Hu, κύριου ερευνητή ΜΑΝΑ του International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA), του Εθνικό Ινστιτούτου Επιστήμης Υλικών (NIMS), απέδειξε θεωρητικά ότι τα αποτελέσματα των πειραμάτων σχετικά με την ιδιόμορφη υπεραγώγιμη κατάσταση που αναφέρθηκε από κινεζική ερευνητική ομάδα τον Ιανουάριο του 2015, μπορεί να θεωρηθεί ως απόδειξη για την ύπαρξη σωματίου τύπου Majorana.

Η ύπαρξη του σωμάτιου Majorana είχε προβλεφθεί το 1937 από τον Ιταλό θεωρητικό φυσικό Ettore Majorana. Αν και είναι φερμιόνιο, είναι ίδιο με το αντισωμάτιό του. Ενώ η ύπαρξή του ως στοιχειώδες σωμάτιο δεν έχει ακόμα επιβεβαιωθεί σήμερα, σχεδόν 80 χρόνια μετά την πρόβλεψη, επισημάνθηκε θεωρητικά τα τελευταία χρόνια ότι διεγέρσεις οιονεί σωμάτιου σε ειδικά υλικά, που ονομάζονται τοπολογικοί υπεραγωγοί, συμπεριφέρονται με παρόμοιο τρόπο όπως τα σωμάτια Majorana. Ωστόσο, είναι δύσκολο να συλληφθούν αυτά τα σωμάτια Majorana σε υλικά, εξαιτίας των μοναδικών ιδιοτήτων τους, να είναι ουδέτερα ως προς το φορτίο και να έχουν μηδενική ενέργεια. Για να επιβεβαιωθεί η ύπαρξή τους έχουν υπάρξει έντονοι ανταγωνισμοί σε παγκόσμιο επίπεδο.

Η ερευνητική ομάδα εξέτασε προσεκτικά τις φυσικές συνθήκες των πειραμάτων που αναφέρθηκαν παραπάνω, διεξήγαγε εκτεταμένη και υψηλής ακρίβειας θεωρητική ανάλυση στις υπεραγώγιμες διεγέρσεις οιονεί σωματίου και έδειξε ότι τα σωμάτια Majorana συλλαμβάνονται μέσα στους πυρήνες κβαντικής δίνης ενός τοπολογικού υπεραγωγού, συγκρίνοντας τη θεωρητική ανάλυση με τα αποτελέσματα των πειραμάτων. Επί πλέον, η ομάδα πρότεινε μια ειδική μέθοδο για να βελτιώσει την ακρίβεια των πειραμάτων αξιοποιώντας τις μοναδικές κβαντομηχανικές ιδιότητες των σωματίων Majorana.

Σχηματική αναπαράσταση των σωμάτιων Majorana στον πυρήνα κβαντικής δίνης ενός τοπολογικού υπεραγωγού και η κατανομή πυκνότητας καταστάσεων των διεγέρσεων με βάση τους θεωρητικούς υπολογισμούς (Εικόνα από NIMS)

Η συλλογική συμπεριφορά των σωματίων Majorana-φερμιόνια που τα ίδια είναι και τα αντισωμάτιά τους-είναι διαφορετική από εκείνη των ηλεκτρονίων και των φωτονίων και έτσι αναμένεται να είναι χρήσιμη στην ανάπτυξη ισχυρών κβαντικών υπολογιστών. Επιπλέον, η ιδιαίτερα μοναδική τους ιδιότητα λόγω της μηδενικής ενέργειας, θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για τη δημιουργία ποικίλων νέων κβαντικών λειτουργιών. Ως εκ τούτου, η επιβεβαίωση της ύπαρξης σωματίων Majorana με υψηλή ακρίβεια θα αφήσει ένα μεγάλο κύμα επιπτώσεων προς νέες εξελίξεις στην επιστήμη των υλικών και της τεχνολογίας.

Πηγή: National Institute for Materials Science (NIMS)

Περισσότερα στη δημοσίευση: Evolution of Density of States and a Spin-Resolved Checkerboard-Type Pattern Associated with the Majorana Bound State, Phys. Rev. Lett. 115