Неуловимый фермион Майораны, или "частица ангела", предложенная Этторе Майораной в 1937 году, одновременно ведет себя как частица и античастица - и, что удивительно, остается стабильным, а не саморазрушается.

Фермионы Майораны обещают информационные и коммуникационные технологии с нулевым сопротивлением, решение проблемы растущего энергопотребления современной электроники (уже 8% мирового потребления электроэнергии) и обещание устойчивого будущего для вычислительной техники.

Кроме того, именно наличие майорановских режимов нулевой энергии в топологических сверхпроводниках сделало эти экзотические квантовые материалы основными материалами-кандидатами для реализации топологических квантовых вычислений.

Существование майорановских фермионов в системах с конденсированным веществом поможет ФЛИТУ в поиске будущих низкоэнергетических электронных технологий.

Частица ангела: как материя, так и антиматерия

Фундаментальные частицы, такие как электроны, протоны, нейтроны, кварки и нейтрино (называемые фермионами), каждая из которых имеет свои отдельные античастицы. Античастица имеет ту же массу, что и ее обычный партнер, но противоположный электрический заряд и магнитный момент.

Обычные фермионы и антифермионы составляют материю и антивещество и при объединении аннигилируют друг с другом.

"Фермион Майораны - единственное исключение из этого правила, составная частица, которая является своей собственной античастицей", - говорит автор-корреспондент профессор Сяолинь Ван (UOW).

Однако, несмотря на интенсивные поиски частиц Майораны, ключ к ее существованию был неуловим в течение многих десятилетий, поскольку два противоречивых свойства (т.е. положительный и отрицательный заряд) делают ее нейтральной, а ее взаимодействие с окружающей средой очень слабым.

Топологические сверхпроводники: благодатная почва для частицы ангела

Хотя существование частицы Майораны еще предстоит обнаружить, несмотря на обширные поиски в центрах физики высоких энергий, таких как ЦЕРН, она может существовать в виде одночастичного возбуждения в системах с конденсированным веществом, где сосуществуют зонная топология и сверхпроводимость.

"За последние два десятилетия сообщалось о частицах Майораны во многих сверхпроводящих гетероструктурах и был продемонстрирован большой потенциал в приложениях квантовых вычислений", - говорит доктор Мухаммад Надим, постдок FLEET в UOW.

Несколько лет назад сообщалось о новом типе материала, называемом топологическими сверхпроводниками на основе железа, в которых содержатся частицы Майораны без изготовления гетероструктур, что важно для применения в реальных устройствах.

"В нашей статье рассматриваются самые последние экспериментальные достижения в этих материалах: как получить топологические сверхпроводящие материалы, экспериментальное наблюдение топологического состояния и обнаружение нулевых мод Майораны", - говорит первый автор, кандидат наук UOW Лина Санг.

В этих системах квазичастицы могут олицетворять определенный тип майорановского фермиона, такой как "киральный" майорановский фермион, который движется по одномерной траектории, и майорановский "нулевой режим", который остается ограниченным в нуль-мерном пространстве.

Применения нулевого режима Майораны

Если бы такие системы конденсированного состояния, содержащие майорановские фермионы, были экспериментально доступны и могли быть охарактеризованы с помощью простой техники, это помогло бы исследователям руководить разработкой низкоэнергетических технологий, функциональность которых обеспечивается за счет использования уникальных физических характеристик майорановских фермионов, таких как отказоустойчивые топологические квантовые вычисления и ультра-электроника с низким энергопотреблением.

Размещение майорановских фермионов в топологических состояниях вещества, топологических изоляторах и полуметаллах Вейля будет рассмотрено на крупной международной конференции по физике полупроводников (ICPS), которая состоится в этом месяце в Сиднее, Австралия.

Дорожная карта квантовых материалов IOP 2021 исследует роль квантовых материалов на основе внутренней спин-орбитальной связи (SOC) для топологических устройств, основанных на модах Майораны, предоставляя доказательства на границе между прочными материалами SOC и сверхпроводниками, а также в сверхпроводнике на основе железа.

Работа поддерживается Центрами передового опыта Австралийского исследовательского совета, программами будущих стипендий и открытий, а также объединенными исследованиями в Университете Вуллонгонга, Университете RMIT и UNSW, Сиднейские узлы, наряду с партнерской организацией Университет Цинхуа (Китай).