在显微镜下观察Majorana费米子的旋转

普林斯顿大学的研究人员 已经发现了一种难以捉摸的粒子的独特量子特性，这种粒子值得注意像物质和反物质一样同时表现。这种被称为Majorana费米子的粒子受到研究人员的青睐，因为它有可能为新的量子计算可能性敞开大门。

在本周发表在“ 科学 ”杂志上的 研究中，研究小组描述了他们如何增强现有的成像技术，称为扫描隧道显微镜，以捕获来自在表面上拉伸的原子级细铁丝两端的Majorana颗粒的信号。铅的水晶。他们的方法涉及检测称为自旋的独特量子特性，已经提出用于在包含Majorana粒子的电路中传输量子信息。

“Majoranas的自旋特性将它们与材料中出现的其他类型的准粒子区分开来，”1909年普林斯顿大学物理系教授Ali Yazdani说 。“这种特性的实验检测为这种奇特的粒子提供了独特的特征。”

该发现建立在该团队2014年发现的基础上，该 发现也发表在 科学上，Majorana费米子在一个原子宽的铁原子链顶部的铅基底上。在该研究中，扫描隧道显微镜首次用于可视化马约拉纳斯，但没有提供其性质的其他测量。

“我们的目标是探索Majoranas的一些特定量子特性。这些实验不仅进一步证实了它们在我们的链条中的存在，而且开辟了使用它们的可能方式。“Yazdani说。

最初由物理学家Ettore Majorana在20世纪30年代末理论化，粒子很吸引人，因为它充当了它自己的反粒子。在过去几年中，科学家们已经意识到他们可以设计一维导线，例如当前研究中超导表面上的原子链，以使Majorana费米子出现在固体中。在这些导线中，Majoranas在链的任一端成对出现，条件是链条足够长，使Majoranas保持足够远，使得它们不会相互湮灭。在量子计算系统中，信息可以同时存储在线路的两端，从而提供抵抗固有脆弱量子态的外部中断的鲁棒性。

先前用于检测Majoranas的实验努力已经使用了它既是粒子又是反粒子的事实。指示标记在量子隧道测量中称为零偏置峰值。但是研究表明，这种信号也可能是由于一对普通的准粒子可能会出现在超导体中。物理学教授 Andrei Bernevig 和他的团队，他们与Yazdani的小组提出了原子链平台，开发了一种理论，该理论表明使用扫描隧道显微镜进行的自旋极化测量可以区分一对普通准粒子的存在和马约拉纳。

通常，扫描隧道显微镜(STM)涉及在结构上拖动细尖电极，在这种情况下是铁原子链，并检测其电子特性，从中可以构建图像。为了进行自旋敏感测量，研究人员创造了以不同方向磁化的电极。这些“自旋极化”STM测量结果显示出与Bernevig及其团队的理论计算一致的特征。

“事实证明，与传统准粒子的情况不同，Majorana的旋转不能被背景屏蔽掉。从这个意义上说，这是对马约拉纳州存在的试金石，“伯内维格说。

Majorana的量子自旋特性也可能使它们对量子信息的应用更有用。例如，在任一端具有Majoranas的导线可用于在依赖于电子自旋的远距离量子位之间传递信息。电子自旋和马约拉纳斯的纠缠可能是利用其属性进行量子信息传递的下一步。