最新的纳米线实验增强了对Majorana瞄准的信心

在最近的同类实验中，研究人员已经获得了迄今为止最令人信服的证据，即不寻常的颗粒潜伏在一种特殊的超导体中。这一结果证实了近十年前联合量子研究所(JQI)和马里兰大学(UMD)首次提出的理论预测

被称为Majorana准粒子的偷渡者不同于普通物质，如电子或夸克 - 构成元素周期表元素的东西。与物理学家所知的不能分解成更基本的碎片的那些粒子不同，Majorana准粒子来自许多原子和电子的协调图案，并且仅在特殊条件下出现。它们具有独特的功能，可以使它们成为一种量子计算机的骨干，研究人员多年来一直在追逐它们。

对于Majorana猎人来说，最新的结果是最诱人的，证实了许多理论预测，并为未来更精致的实验奠定了基础。在这项新工作中，研究人员测量了通过连接到超导铝带的超薄半导体的电流 - 这种配方将整个组合转变为一种特殊的超导体。

这种类型的实验将纳米线暴露于强磁体，这为电线中的电子解锁了一个额外的方式，以便在低温下组织起来。通过这种额外的布置，预计电线将承载Majorana准粒子，并且实验者可以通过仔细测量电线的电响应来寻找其存在。

这项新实验由来自荷兰代尔夫特理工大学的QuTech和微软研究院的研究人员进行，并在加利福尼亚大学圣巴巴拉分校和荷兰埃因霍温科技大学制作混合材料样本。实验者将他们的结果与JQI研究员Sankar Das Sarma和JQI研究生Chun-Xiao Liu的理论计算进行了比较。

代尔夫特的同一组在2012年看到了Majorana的暗示，但测量的电效应并没有理论预测的那么大。现在已经观察到了完整的效果，即使实验者摇摆磁场或电场的强度，它仍然存在 - 这种强大性提供了更强的证据，证明实验已经捕获了Majorana，正如Liu在仔细的理论模拟中预测的那样。

“我们已经从2010年的理论配方中走了很长一段路，就如何在半导体 - 超导体混合系统中创造Majorana粒子，”该论文的合着者Das Sarma说，他也是UMD凝聚态物理理论中心的主任。“但是，在我们寻找这些奇怪粒子的全部胜利之前，还有一段路可走。”

经过多年对研究人员组装纳米线的方式的改进，导致半导体线与铝带之间更清洁的接触，取得了成功。在同一时间，理论家们已经深入了解了Majoranas可能的实验签名 - 由Das Sarma和UMD的几位合作者开创的工作。

理论符合实验

2001年开始寻找在薄量子线中找到Majorana准粒子的努力，当时是微软研究院的物理学家阿列克谢·基塔耶夫(Alexei Kitaev)。Kitaev现在在帕萨迪纳的加州理工学院，他制造了一个相对简单但不切实际的系统，理论上它可以容纳Majorana。但这种想象中的导线需要一种特定的超导性，这种超导性不是现成的，而其他人很快就开始寻找通过混合和匹配现有材料来模仿Kitaev的装置的方法。

一个挑战是弄清楚如何获得超导体，这通常与偶数个电子 - 两个，四个，六个等 - 开展业务，以允许奇数个电子，这种情况通常是不稳定的，需要额外的能量来维持。奇数是必要的，因为Majorana准粒子是毫不掩饰的奇怪球：它们只出现在奇数个电子的协调行为中。

2010年，在Kitaev的原始论文Das Sarma，JQI研究员Jay Deep Sau和JQI博士后研究员Roman Lutchyn以及第二组研究人员的近十年之后，他们开始研究制造这些特殊超导体的方法，并推动了实验从那时起搜索。他们建议将某种半导体与普通超导体结合起来并测量整个物体的电流。他们预测，两种材料的结合，以及强大的磁场，将解开Majorana的排列并产生Kitaev的特殊材料。

他们还预测，Majorana可以通过电流流过这种纳米线的方式显露出来。如果将普通半导体连接到金属线和电池，电子通常有可能从线上跳到半导体上并有可能被拒绝 - 细节取决于电子和材料的组成。但如果你改用Kitaev的纳米线，就会发生完全不同的事情。电子总是被完美地反射回导线，但它不再是电子。它变成了科学家所说的一个洞 - 基本上是金属中缺少电子的一个点 - 并且它向相反的方向带回正电荷。

物理学要求跨越界面的电流是守恒的，这意味着两个电子必须最终进入超导体以平衡正向电荷朝向另一个方向。奇怪的是，物理学家称之为完美的安德列夫反射的这个过程即使在金属中的电子没有向边界推动时也会发生 - 也就是说，即使它们没有连接到各种各样的电池。这与Majorana是它自己的反粒子这一事实有关，这意味着在纳米线中制造一对Majoranas不需要任何能量。Majorana排列为两个电子提供了一些额外的操作空间，并允许它们作为量子化对穿过纳米线 - 也就是说，一次只有两个。

“正是Majoranas的存在产生了这种量子化的微分电导，”刘说，他运行数值模拟来预测UMD的Deepthought2超级计算机集群的实验结果。“正如实验所示，这种量化对于实验参数的微小变化甚至应该是稳健的。”

科学家将这种实验方式称为隧道谱，因为电子通过纳米线到达另一侧的量子路径。它一直是捕获Majoranas最近努力的焦点，但还有其他测试可以更直接地揭示粒子的奇特性质 - 测试可以充分证实Majoranas真的在那里。

“我们在寻找这些奇异且难以捉摸的Majorana颗粒方面迈出了一大步，展示了过去五年材料改进取得的巨大进步，”Das Sarma说。“我确信这些奇怪的粒子存在于这些纳米线中，但只有建立基础物理学的非局部测量才能使证据具有决定性。”