Majorana粒子与其所命名的意大利科学家一样神秘，是物理学中最引人注目的任务之一。
它的名声源于其奇特的属性 - 它是唯一的粒子，它是自己的反粒子 - 并且它的潜力可以用于未来的量子计算。
近年来，包括普林斯顿大学团队在内的少数团体已经报道了在各种材料中找到Majorana，但挑战在于如何操纵量子计算。
在本周发表的一项新研究中，普林斯顿大学的研究小组报道了一种控制Majorana准粒子的方法，这种方式也使得它们更加稳健。该装置结合了超导体和一种称为拓扑绝缘体的特殊材料，使Majoranas特别能够抵抗来自外部环境的热量或振动造成的破坏。更重要的是，该团队展示了一种使用集成在设备中的小磁铁打开或关闭Majorana的方法。该报告发表在“ 科学 ”杂志上。
“通过这项新研究，我们现在有了一种在材料中设计Majorana准粒子的新方法，”1909年的物理学教授，该研究的资深作者Ali Yazdani说。“我们可以通过对它们进行成像来验证它们的存在，我们可以表征它们的预测属性。”
Majorana以物理学家Ettore Majorana的名字命名，他曾预测1937年粒子的存在仅仅在意大利海岸渡轮旅行中神秘消失前一年。建立在物理学家保罗狄拉克在1928年预测电子必须具有反粒子的同一逻辑上，后来被确定为正电子，Majorana理论上存在一个粒子，它是自己的反粒子。
通常当物质和反物质聚集在一起时，它们会以强烈的能量释放相互消灭，但是当Majoranas在特殊设计的电线的任一端出现成对时，它们可以相对稳定并且与其环境弱相互作用。这些对使得能够在两个不同的位置存储量子信息，使得它们对抗干扰相对稳健，因为改变量子状态需要同时在线的两端进行操作。
这种能力吸引了技术专家，他们设想了量子比特的方法 - 量子计算的单位 - 比现有方法更强大。量子系统因其有潜力解决当今计算机无法解决的问题而受到重视，但它们需要维持一种称为叠加的脆弱状态，如果被中断，可能会导致系统故障。
基于Majorana的量子计算机将信息存储在成对的粒子中，并通过将它们编织在一起来执行计算。计算的结果将通过相互湮灭马约拉纳来确定，这可能导致电子的出现(通过其电荷检测)或者什么都没有，这取决于马约拉纳对的编织方式。Majorana对湮灭的概率结果是其用于量子计算的基础。
挑战在于如何创建和轻松控制Majoranas。它们可以存在的地方之一是在超导床上的单原子厚的磁原子链的末端。2014年，在Science，Yazdani和合作者的报道中使用扫描隧道显微镜(STM)，其中尖端被拖过原子以显示准粒子的存在，以找到在表面上的铁原子链的两端的马约拉纳斯一个超导体。
该团队继续探测Majorana的量子“自旋”，这是一种由电子和其他亚原子粒子共享的属性。在2017年“科学”杂志上发表的一份报告中，该团队表示，Majorana的自旋属性是一个独特的信号，可用于确定检测到的准粒子确实是Majorana。
在这项最新研究中，该团队探索了另一个预测Majoranas的位置：在与超导体接触时在拓扑绝缘体边缘形成的通道中。超导体是电子无阻力行进的材料，拓扑绝缘体是电子仅沿边缘流动的材料。
该理论预测，Majorana准粒子可以形成在与超导材料块接触的薄片拓扑绝缘体的边缘。超导体的接近使电子沿着拓扑绝缘体边缘无阻力地流动，该绝缘边缘非常薄，可以被认为是导线。由于Majoranas在电线末端形成，因此应该可以通过切割电线使它们出现。
“这是一个预测，这些年来它只是坐在那里，”亚兹达尼说。“我们决定探索如何实际制造这种结构，因为它有可能使Majoranas对材料缺陷和温度更加稳固。”
该团队通过在一块铌超导体顶部蒸发一层薄的铋拓扑绝缘体来构建该结构。他们在结构上放置了纳米级磁记忆位，以提供磁场，从而使电子流动脱轨，产生与切割电线相同的效果。他们使用STM来可视化结构。
然而，当使用他们的显微镜寻找Majorana时，研究人员首先对他们所看到的东西感到困惑。有些时候他们看到Majorana出现，有时他们找不到它。在进一步探索之后，他们意识到只有当小磁铁在平行于沿着通道的电子流动方向的方向上被磁化时才会出现Majorana。
“当我们开始描述小磁铁时，我们意识到它们是控制参数，”亚兹达尼说。“钻头的磁化方向决定了Majorana是否出现。它是一个开关开关。”
该团队报告称，在该系统中形成的Majorana准粒子非常稳健，因为它的能量与系统中可能存在的其他准粒子不同。其稳健性还源于其在拓扑边缘模式下的形成，该模式本身就具有抗干扰能力。拓扑材料的名称来源于数学分支，描述了物体如何通过拉伸或弯曲变形。因此，在拓扑材料中流动的电子将继续围绕任何凹痕或缺陷移动。