Впервые изображена структура, объединяющая частицу и античастицу

Майорановскими фермионами могут считаться любые частицы, которые одновременно проявляют свойства своих же античастиц, то есть имеют противоположные по знаку электрический и цветовой заряды и некоторые квантовые числа. В более общем смысле майорановскими фермионами также можно считать некоторые квазичастицы - своеобразные комплексы из нескольких частиц, образующиеся, например, в сверхпроводниках при передаче электрического заряда.

Именно такие структуры удалось запечатлеть команде физиков из Университета Иллинойса в Чикаго и Гамбургского университета (Германия). Они взяли за основу рениевый сверхпроводник - материал, который начинает проводить электричество без потерь при температуре около минус 267 °C. Ученые нанесли на его поверхность "островки" из железа, создав таким образом сверхпроводник с топологическим узлом.

При пропускании электрического тока через такой материал на границах железных островков появляются майорановские фермионы. Ученым удалось наблюдать эти квазичастицы, используя сканирующий туннельный микроскоп. Этот прибор позволяет получить изображение поверхности образца в высоком разрешении, так как использует иглу с кончиком толщиной в несколько атомов, чтобы измерить расстояние от нее до атомов материала.

Изображение зерна железа с майорановскими фермионами (внизу справа)

Этот метод позволил исследователям "разглядеть" неуловимые квазичастицы и исследовать некоторых их физические характеристики. Исследование, по словам его авторов, поможет вплотную приблизиться к созданию эффективных кубитов для квантового компьютера. Одним из самых привлекательных для такой цели параметров майорановских фермионов ученые считают их стабильность. В отличие от большинства систем, используемых сегодня в качестве кубитов, эти квазичастицы могут находиться долгое время в одном состоянии, а также "запоминать" свое исходное положение.

Следующим шагом, по словам ученых, станет выяснить, как можно спроектировать эти майорановские кубиты на чипах и манипулировать ими, чтобы экспоненциально увеличить мощность квантовых вычислительных систем. А созданные недавно квантовые вентили позволят повысить скорость этих процессов в 200 раз.