Majorana fermiyonunun topolojik olmayan bir varyasyonu olan “fakir adamın” Majorana’sı ölçtüler ve araştırmacılar bu keşfin Majorana alanını yeniden canlandırabileceğini umuyor.
Majorana Fermiyonları Nedir?
Majorana fermiyonları, kuantum hesaplamayı dönüştürme potansiyeline sahip egzotik kuantum durumlarıdır, ancak keşifleri kolay olmamıştır. Bu durumların ilk deneysel işaretleri 2012 yılında ortaya çıktı. Hollanda’daki bir Microsoft laboratuvarındaki araştırmacılar 2018’de Majorana fermiyonlarının kesin deneysel kanıtına sahip olduklarını belirttiler, ancak daha sonra açıklamalarını geri çektiler. Fakir adamın Majorana fermiyonu olarak adlandırılan durum, 2018’deki çalışmadan bazı araştırmacıları da içeren bir ekip tarafından Majorana fermiyonunun bir akrabası olarak tanımlandı. Ekip, keşfin bölgeye olan ilgiyi ve bu zor durumların araştırılmasını yeniden canlandıracağına inanıyor.
Hollanda’daki Delft Teknoloji Üniversitesi’nden ve mevcut çalışmanın araştırmacılarından Tom Dvir’e göre, Majorana fermiyonunun deneysel olarak gerçekleştirilmesi geri çekildiğinde “Majorana alanında bir kriz vardı”. “Keşfimizin çabaların yeniden odaklanmasına yardımcı olacağını umuyoruz.”
Majorana fermiyonu adı verilen varsayımsal bir kolektif elektronik durum, aynı zamanda kendi antiparçacığı olan bir parçacık gibi davranır. Teoriye göre Majorana fermiyonları topolojik olarak korunaklıdır ve bu da onları çevresel termal veya elektriksel pertürbasyonlara karşı dirençli hale getirir. Fakir adamın Majorana’sı da aynı şekilde kendi antiparçacığı olmasına rağmen, Majorana’nın topolojik korumasına sahip değildir. Dvir’e göre bu ayrım, fakir adamın Majorana’sının yalnızca çok dar bir değer aralığında kararlı olduğunu göstermektedir.
Majorana fermiyonunun çok sınırlı durumu, ona topolojik koruma sağlayan şeydir; Majorana aramaları için yaygın bir kurulum olan bir nanotelde, Majorana durumlarının telin iki ucuna bağlı olduğu öngörülür. Bu yerelleştirme nedeniyle, iki Majorana’nın yerleri değiştirilse bile durumlar orijinal kodlamalarını korur. Kübitler üzerinde, taşıdıkları bilgiyi bozacak veya değiştirecek gürültüye neden olmadan işlem yapılabildiğinden, durumları kübitler için ilginç kılan da bu niteliktir. Bununla birlikte, zavallı adamın Majoranaları sızdıran Tupperware kapları gibi davranır; sırt çantanıza iki tane koyun ve içindekiler birbirine karışacaktır. Dvir’in iddiasına göre bilgi paylaşabiliyorlar.
Yine de diğer bilim insanları bu “daha zayıf” durumlara ulaşmanın Majorana tabanlı kuantum hesaplamaya ulaşma yolunda hala çok önemli bir adım olduğuna inanıyor. Dvir, sistemin kusurlu olduğunu, ancak yine de bir kübit oluşturmak ve nasıl işlediğini incelemek için kullanabileceğimizi iddia ediyor.
Dvir ve meslektaşları, iki kuantum noktasının süper iletken bir filmle kaplı yarı iletken bir telle birleştirildiği bir kuantum nokta cihazıyla Majorana’nın kendi versiyonunu elde ettiler. Bu nesne, en kısa haliyle bir Kitaev zinciri, yani spinsiz 1 boyutlu bir fermiyon zinciridir. Kitaev zinciri daha uzun olduğunda-beş kuantum noktası veya daha fazla-topolojik Majoranalar burada barındırılmalıdır.
Elektronların bir kuantum noktasından diğerine atladığı normal tünelleme veya iki kuantum noktasından elektronların aynı anda süper iletkene girdiği Andreev tünelleme olmak üzere iki süreçten biri, elektronları kuantum noktaları arasında minimum Kitaev zinciriyle aktarmak için kullanılır. Ardından, bir Cooper çifti oluşur ve bu çift orada birleşir ve onları bağlamak için her iki noktaya da enjekte edilir. Kitaev, normal ve Andreev tünelleme hızları çakıştığında Majorana durumlarının oluşacağını öngörmüştür.
Bunun doğru olduğu Dvir ve arkadaşları tarafından kanıtlanmıştır. Cihazlarını, geleneksel tünellemenin baskın olduğu bir rejimden Andreev yansımasının baskın olduğu bir rejime, cihazlarındaki her bir elemana uygulanan voltajları ayarlayarak iki sürecin eşit oranlara sahip olduğu bir rejime elektriksel olarak değiştirebileceklerini gösterdiler. Deneylerinde, bu rejimlerin her biri için sinyallerin yanı sıra alt sınıfın iki Majorana durumu için öngörülen sinyalleri de buldular.
Bu kuantum-nokta sisteminin yoksul adamın Majorana’larını destekleyeceğine inanan teorisyenlerden biri olan Danimarka’daki Kopenhag Üniversitesi’nden Karsten Flensberg’e göre bu, yoksul adamın Majorana’sının ilk örneğidir.
Araştırmacılar, iki kuantum noktası arasında Andreev tünellemesine karşı normal tünelleme oranını ayarlamak için akıllıca bir yöntem geliştirdiler. Flensberg, noktaları birleştirmek ve sisteme ince ayar yapmak için önceki önerilerin, Majorana deneyleri için gerekli olan nano ölçekli doğrulukla düzenlenmesi zor olan çok sayıda manyetik alan kullandığına dikkat çekiyor. Ekip bu sorunu elektrik kapıları ve süper iletken teknolojisi kullanarak aştı. Majorana araştırmalarında bunun bir atılım olduğunu iddia ediyor. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde aktif olarak topolojik Majoranaları arayan bir deneyci olan Jagadeesh Moodera da bu ifadeye katılıyor. Ona göre yeni sistem “Majorana fiziği çalışmalarında yeni bir sınır açıyor.”
Majorana çalışması “bazı tartışmalara saplanıp kaldığı için [bu konuda] sağlam temel bilim yapıldığını görmek cesaret verici.”
Ancak bu örneğin bir dezavantajı var. Gerçekleştirilen iki fakir Majorana’nın bir şekilde örtüşen dalga fonksiyonlarına sahip oldukları görülüyor, bu da tamamen kendi kuantum noktalarının içinde yer almadıklarını gösteriyor. Dvir’e göre bu durumlar kusurlu. Dvir, bu kusurun fakir adamın Majoranalarına dayanan kübitler için önemli olup olmadığını belirlemek için teorisyenlerle işbirliği yaptıklarını belirtiyor. Flensberg, bilim adamlarının sistemin kubitle ilgili ek özelliklerini inceleyeceklerine inanıyor. Topolojik olarak korunan Majorana’nın [kuantum hesaplama için] her zaman üstün olmadığını ileri sürüyor.
Fakir bir adamın Majorana’sına dair bu farkındalık Dvir için başka bir nedenle daha dikkate değerdir. Fizik araştırmalarının çoğunda deneysel verileri teorik bir modelin sonuçlarıyla karşılaştırılabilecek bir şekle dönüştürmek için kapsamlı bir işleme ve yorumlamaya ihtiyaç vardır. Soyut fiziğin laboratuvarda tam olarak öngörüldüğü gibi gerçekleşmesinin alışılmadık bir durum olduğunu iddia ediyor. “Bu, herhangi bir yorumlama olmaksızın olduğu gibi; çok eğlenceli.”
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/24
