Uma micrografia eletrônica de varredura com visão inclinada tirada de um dos dispositivos de nanofio Majorana usados no estudo. O nanofio é mostrado em cores falsas em azul, que é parcialmente coberto pelo supercondutor NbTiN mostrado em roxo. Os contatos amarelos são contatos metálicos que podem ser usados para aplicar uma tensão ao dispositivo e medir as propriedades supercondutoras através da condutividade do dispositivo. Crédito:Bommer et al.
Pesquisadores da Delft University of Technology realizaram recentemente um estudo investigando a interação spin-órbita em nanofios de Majorana. Seu estudo, publicado em Cartas de revisão física , é o primeiro a mostrar claramente o mecanismo que permite a criação da evasiva partícula Majorana, que poderia se tornar o bloco de construção de um tipo mais estável de computador quântico.
"Nossa pesquisa visa a verificação experimental do modo zero Majorana proposto teoricamente, "Jouri Bommer, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse ao Phys.org por e-mail. "Esta partícula, que é sua própria antipartícula, é de particular interesse, porque se prevê que seja útil para o desenvolvimento de um computador quântico topológico. "
A computação quântica é uma área promissora da ciência da computação que explora o uso de fenômenos da mecânica quântica e estados quânticos para armazenar informações e resolver problemas computacionais. No futuro, computadores quânticos podem enfrentar problemas que os métodos de computação tradicionais são incapazes de resolver, por exemplo, permitindo o design computacional e determinístico de novos medicamentos e moléculas.
Embora esses computadores possam ter vantagens notáveis, a maioria das abordagens de computação quântica sofre de uma sensibilidade ao ruído que é conhecida como "decoerência". Os pesquisadores desenvolveram, portanto, um novo tipo de computador quântico que se baseia em partículas de Majorana, que são inerentemente protegidos de ruído. Esta proteção "topológica" requer supercondutividade, um fenômeno que permite corrente elétrica sem dissipação.
"Codificando informações quânticas na propriedade topológica dos modos zero de Majorana, o erro / problema de decoerência pode ser resolvido a partir do nível fundamental do dispositivo, "Bommer explicou." Este novo sistema é inerentemente protegido de ruído, um problema que assola abordagens alternativas para a computação quântica. A proteção topológica contra ruído é muito parecida com o armazenamento de informações como um nó em uma corda:balançando levemente a corda, o nó não se desfaz. "
A criação de Majoranas depende de um campo magnético, que geralmente é incompatível com a supercondutividade; um requisito definitivo de Majoranas. Uma solução para superar essa limitação é alavancar a interação do movimento dos elétrons com seus "ímãs internos, "um fenômeno conhecido como interação spin-órbita. Na presença dessa interação, um material não sente o campo magnético exigido por Majoranas tão fortemente, permitindo assim a supercondutividade.
"Pesquisas anteriores mostraram assinaturas que apóiam a existência de modos zero de Majorana, embora até hoje tenha havido um debate considerável se essas assinaturas experimentais podem ser imitadas por outros fenômenos físicos, "Bommer explicou." Em nossa publicação recente, adotamos uma abordagem diferente e investigamos as condições de pré-requisito para criar um modo zero de Majorana. Para criar uma Majorana, precisamos de um nanofio semicondutor que intrinsecamente tenha interação spin-órbita, que acoplamos a um material supercondutor para fazer a supercondutividade 'vazar' para o nanofio semicondutor. "
Até aqui, a maioria dos estudos presumiu a presença de uma interação spin-órbita em experimentos que mostraram evidências para os modos Majorana. Apesar disso, ninguém ainda havia estudado o efeito dessa interação em fios supercondutores e semicondutores de Majorana, que é crucial para criar esses modos.
"Em nosso estudo, revelamos esse efeito e medimos diretamente essa interação spin-órbita e sua força, "Bommer disse." Conseguimos isso estudando o efeito dos campos magnéticos em várias direções diferentes sobre a supercondutividade. "
Tipicamente, os campos magnéticos suprimem a supercondutividade fechando a lacuna de energia supercondutora. A interação spin-órbita neutraliza essa supressão quando o campo magnético aponta ao longo de direções específicas. Em seu experimento de transporte de elétrons, Portanto, os pesquisadores precisaram de um campo magnético mais forte para fechar essa lacuna.
Ao realizar cálculos teóricos e compará-los com seus dados experimentais, Bommer e seus colegas podem estimar a força da interação spin-órbita. Este parâmetro muito importante era anteriormente desconhecido em sistemas para aplicações de computação quântica topológica.
"Nossas observações mostram que a interação spin-órbita, um dos ingredientes essenciais para criar modos Majorana, está presente no sistema e, portanto, suporta as assinaturas de modos de Majorana que foram observados anteriormente, "Bommer explicou." Além disso, a física observada pela qual a interação spin-órbita protege a supercondutividade é precisamente a física que é, em última análise, responsável pela resiliência esperada ao ruído (isto é, proteção topológica) que é esperada para um computador quântico topológico. "
O estudo realizado por Bommer e seus colegas mostra que a supercondutividade e a interação spin-órbita podem estar presentes simultaneamente, revelando os mecanismos pelos quais a interação spin-órbita protege a supercondutividade em nanofios de Majorana. Suas observações mostram que implementações mais avançadas deste sistema material também devem se beneficiar da proteção spin-órbita da informação quântica e que a força spin-órbita estimada fornece uma entrada importante para o projeto de circuitos de computação quântica.
Os pesquisadores estão agora planejando novas pesquisas destinadas a encontrar novas assinaturas experimentais para os modos zero de Majorana usando sistemas de materiais aprimorados. Por exemplo, eles mudaram o supercondutor NbTiN para uma fina camada de alumínio, que fornece supercondutividade muito melhor.
"Também estamos procurando observar as partículas de Majorana em ambas as extremidades do fio simultaneamente, que é um forte argumento para reivindicar a observação dos verdadeiros modos de Majorana, "Bommer disse." Essas melhorias nas quais estamos trabalhando também são necessárias para realizar nossa ambição de criar um computador quântico que use partículas de Majorana como seus blocos de construção. Esses experimentos em um futuro próximo servirão não apenas como etapas intermediárias em direção a um qubit topológico, mas também mostrarão a física de Majorana em um aspecto mais fundamental. "
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