Физики придумали метод поиска майорановских нулевых мод

Группа ученых из Испании, Португалии и Великобритании построила модель эксперимента, с помощью которого возможно получить так называемые майорановские нулевые моды в графене. Работа опубликована в журнале Physical Review X.

В физике элементарных частиц майорановские фермионы – это такие фермионы,  которые неотличимы от своих античастиц. Этторе Майорана предсказал их существование, «упростив» уравнение Дирака и «избавившись» от мнимости операторов, которые описывают поведение дираковских фермионов (у которых всегда есть античастицы). Термин также широко применяется и в физике твердого тела для описания некоторых квазичастиц с похожими свойствами, хотя и с «искаженным» по отношению к введенному Майораной значением. Общей чертой является лишь то, что так называемые «майорановские фермионы» в твердом теле описываются действительными операторами, по аналогии с майорановской «действительной» версией уравнения Дирака.  

Но такой тип квазичастиц в твердом теле, как и в случае с элементарными частицами, должен обладать необычными свойствами.
Во-первых, если материал низкоразмерный, – тонкие или даже одноатомные слои или «нити»  -  в этом случае теоретически предсказывается, что майорановские квазичастицы в нем могут иметь очень низкую (формально, нулевую) энергию – соответствующие состояния называют майорановскими нулевыми модами. 
Во-вторых, перестановки двух «запутанных» майорановских частиц не вернут систему в исходное квантовое состояние: оно изменится, причем новое состояние будет зависеть того, каким образом производились перестановки.  Это отличается от поведения обычных фермионов или бозонов.
Такие состояния могут реализовываться при определенных условиях в некоторых сверхпроводниках: при проникновении магнитного поля в сверхпроводник, образующие в нем «магнитные вихри» могут становиться «ловушкой» для необычных электронно-дырочных связанных состояний - экситонов с полуцелым спином и очень низкой энергией. Такие экситоны (например, они могут состоять из «дырки», связанной с куперовской парой), в отличие от обычных электронно-дырочных пар с нулевым спином, обладают свойствами майорановских квазичастиц, и на каждом «вихре» их может находиться строго определенное количество. Но для того, чтобы «нулевые моды» вообще возникли, сверхпроводник должен обладать особыми электронными свойствами, которые реализуются только у небольшого класса соединений.0
 

Ранние эксперименты

, что «запутанные» майорановские состояния можно получить на концах моноатомной сверхпроводящей «проволоки» с дефектом, но доказательства были косвенными и неполными из-за особенностей эксперимента. Другие авторы теоретически 

, что при определенных условиях можно получить майорановские «нулевые моды» и с помощью обычного сверхпроводника - осаждая на его поверхность другие материалы с нужными свойствами - топологические изоляторы. В новой работе авторы предложили еще один способ - используя в качестве «добавочного материала» графен.

Для этого необходимо привести «лист» графена в контакт со сверхпроводником. Из-за эффекта близости в графеновый слой будут проникать куперовские электронные пары, становясь причиной аналога сверхпроводимости в нем.  Если в контакт приводить только края графеновой «ленты», то сверхпроводящими будут становиться только небольшие области вблизи контакта. Если при этом такое устройство подвергнуть воздействию магнитным полем, то из-за особых магнитных свойств графена на концах ленты будут наблюдаться описанные выше связанные состояния - майорановские нулевые моды.

Авторы работы провели теоретическое исследование таких состояний и предложили метод их обнаружения. Кроме того, им удалось показать, что в графене с помощью майорановских квазичастиц можно построить устойчивый вариант кубита для квантового компьютера. По словам ученых, время, в течение которого «запутанное» состояние не изменяется, у такого кубита гораздо выше аналогов. Авторы считают, что в графене майорановские нулевые моды можно будет экспериментально «увидеть», например, с помощью широко используемого в физике сверхпроводимости метода андреевской спектроскопии.