فیزیک‌پیشه‌گان، برای نخستین بار در موسسه‌ی نیلز بور، در دانمارک، یکی از ویژگی‌های مهم شبه‌ذره‌های مایورانا را اندازه‌گیری کرده‌اند. آن‌‌ها گواهی بر وجود یک حالت «الکترون‌های درهم‌تافته»‌، در نانوسیم‌های کوچک، یافته‌اند؛ این حالت مستقل از نوفه و محرک‌ها می‌باشد. با توجه به این که آثار بیرونی بر این «مدهای صفر مایورانایی» بی‌تاثیر هستند، می‌توان از آن‌ها به عنوان بیت‌های کوانتومی یا «کوبیت»ها در رایانه‌های کوانتومی استفاده کرد.

سوان آلبرشت و چارلز مارکوییس

نخستین بار اتوره مایورانا، فیزیک‌دان ایتالیایی، پیش‌بنی کرد که مایوراناها از آمار غیرآبلی پیروی می‌کنند؛ این گونه، داده‌های کوانتومی کد شده در این ذرات، در برابر ناهم‌دوسی مقاومت می‌کنند. ناهم‌دوسی برای فیزیک‌پیشه‌هایی که بر رایانه‌های کوانتومی کار می‌کنند، یک کابوس است؛ بنابراین دستگاه‌هایی که بر پایه‌یه‌ی مایوراناها کار می‌کنند، می‌توانند در سامانه‌های اطلاعاتی کوانتومی آینده به کار بسته شوند.

فیزیک‌پیشه‌گان هنوز نمی‌توانند ذره‌های مایورانای تک را ببینند، اما برخی حالت‌های برانگیخته‌ی الکترون‌ها در جامدات، همان ویژگی‌های مایوراناها را دارند. این «شبه‌ذره‌های مایورانا» در بعضی سامانه‌ها مانند نانوسیم‌های نیمه‌رسانای پوشیده‌شده با لایه‌ی ابررسانا، دیده شده‌اند. زمانی که این نانوسیم‌ها تا نزدیک به صفر مطلق سرد می‌شوند، الکترون‌های ابررسانش می‌توانند در نیمه‌رساناها ظاهر شوند. یک الکترون در سیم با الکترون‌هایی در سوی دیگر آن درهم‌تافته شده و یک زنجیره‌ی ناگسستنی از الکترون‌های درهم‌تافته در طول سیم به وجود می‌آورند.

نیم‌الکترون‌ها

در هر سر این زنجیره، الکترون‌هایی وجود دارند که تنها با یک الکترون درهم‌تافته شده‌اند؛ می‌توان هر کدام را مانند یک «نیم‌الکترون» در نظر گرفت و مدهای مایورانا نامید. آن‌ها، با هم، یک شبه‌ذره‌ی مایورانا ایجاد می‌کنند. داده‌های کوانتومی کد شده در این شبه ذره میان دو سر نانوسیم تقسیم می‌گردد؛و این گونه، این حالت بسته بوده، و اطلاعات حفظ می‌شوند و نوفه نمی‌تواند بر آن تاثیر بگذارد.

بنابر گفته‌های سوان آلبرشت (Sven Albrecht) که عضو گروه دانمارکی بوده‌است، «این حالت بسته به علت ویژگی خاص مد مایورانا، و وجود هم‌زمان در دو سر نانوسیم، و نه در میانه‌ی آن، می‌باشد» ... وی هم‌چنین می‌افزاید: «برای نابود کردن حالت کوانتومی آن، دو سر باید هم‌زمان متاثر شوند؛ و این بسیار نامحتمل است».

یک شاخصه‌ی مهم مد مایورانا کاهش توانی «انرژی لازم برای افزودن الکترون‌های دیگر به نانوسیم»، با افزایش طول سیم، می‌باشد. این کاهش توانی نشانی از طبیعت حفاظتی مد مایورانا بوده و در مطالعات پیشین بررسی نشده‌است.

پوشش آلومینیومی

آلبرشت، چارلز مارکوییس (Charles Marcus) و دیگر همکاران در کالج دانمارک نخستین کسانی هستند که میزان انرژی لازم جهت افزودن یک الکترون به چنین سیمی را اندازه‌گیری نموده‌اند. در آغاز نانوسیم‌هایی به طول ۱ میکرومتر و قطر ۱/۰میکرومتر، و از ترکیب نیمه‌رسانای ایندیوم آرسناید، ساخته و آن‌ها را با آلومینیوم که در دماهای پایین ابررسانا است، پوشاندند. این سیم‌ها بر لایه‌ای از سیلیکون قرار گرفتند. در این جا هر سیم با الکترودهایی از جنس طلا، برای تغذیه‌ی سیم‌ها با ولتاژ مورد نظر و اندازه‌گیری جریان، احاطه شدند.

مرکوییس اشاره می‌کند که نکته‌ی کلیدی در موفقیت این آزمایش، کاملا بلوری بودن مرز ابررسانا و نیمه‌رسانا ـو نه قرار گیری اتفاقی اتم‌هاـ است. این گونه، الکترون‌هایی که از آلومینیوم می‌آیند می‌توانند در نیمه‌رسانا جریان یابند و حالتی از ماده به نام «ابررسانای توپولوژیکی» به وجود می‌آید.

این گروه نانوسیم‌هایی با طول‌هایی متفاوت، در بازه‌ی ۳۳۰ نانومتر تا ۵/۱ میکرومتر را مورد بررسی قرار دادند. این پژوهش‌گران از روش طیف‌سنجی کولمب برای اندازه‌گیری انرژی لازم جهت افزودن تک الکترون به نانوسیم، بهره جستند. همان طور که انتظار می‌رفت، آن‌ها دریافتندکه با افزایش طول نانوسیم، انرژی به صورت توانی کاهش می‌یابد.

الکترونیک سریع

مارکوییس در گفت‌وگویی با physicsworld.com گام بعدی این گروه را استفاده از نانوسیم‌های خود در ساخت کوبیت‌ها و اثبات ویژگی‌ حفاظتی و بسته بودن در برابر ناهم‌دوسی، اعلام کرد. او معتقد است برای رسیدن به این هدف، ابتدا باید در ایجاد اتصالات الکتریکی سریع در نانوسیم‌ها، برای خواندن و نوشتن و دست‌کاری اطلاعات کوانتومی در مدهای مایورانا، پیشرفت کنیم.

شانکار داس شارما (Sankar Das Sarmr) از دانشگاه مریلند، در ایالات متحده، یکی از فیزیک‌دان‌های نظری‌ای است که رفتار مد مایورانا در نانوسیم‌های دارای پوشش ابررسانا را پیش‌بینی کرده‌‌است. او این اندازه‌گیری اخیر را با عنوان «پیشرفتی چشم‌گیر» خواند و آن را گواهی بر وجود ذرات مایورانا در نانوسیم‌ها دانست. او معتقد است: «با چنین آزمایش‌هایی، جای‌گاه نانوسیم‌های نیمه‌رسانا، به عنوان دردست‌رس‌ترین کوبیت‌های توپولوژیکی، محکم‌تر می‌شود».

منبع:

majorana-zero-modes-spotted-in-superconducting-nanowires

مرجع:

Nature