Вчені запропонували вимірювати спонтанні відхилення струму, або так званий дробовий шум, для детектування мікроскопічних потоків тепла і особливих квантових станів-нульових майоранівських мод. Їх виявлення призведе до створення нових квантових комп’ютерів, які здатні не тільки здійснювати велику кількість одночасних обчислень, але і стійкі до будь-яких спотворень і перешкод навколишнього середовища. Робота була підтримана російським науковим фондом (рнф) і опублікована в журналах physical review b і semiconductor science and technology.
Етторе майорану-італійський фізик, на честь якого названі загадкові майоранівські моди, безслідно і нез’ясовно пропав в 1938 році. Однак до зникнення він встиг опублікувати одне з можливих рішень знаменитого рівняння дірака-фундаментального рівняння квантової механіки, що з’єднав теорію відносності і хвильову природу частинок з властивістю власного обертання (спіном).
Майорану описав частинку, одночасно є власною античастинкою-двійником з тією ж масою і спіном, але з іншими характеристиками протилежного знака. Якщо одна і та ж частка заряджена позитивно і в той же час негативно, то її загальний електричний заряд повинен бути дорівнює нулю. Аналогічно і з іншими властивостями, отже, немає взагалі ніяких способів їх вимірювання. Зате таємничі гіпотетичні» майорани ” зобов’язані мати незвичайні і перспективні для науки якості. Це виходило за рамки уявлень звичайної фізики, але дало початок новому напрямку найскладніших фундаментальних досліджень.
Вчені з інституту фізики твердого тіла імені ю.а. Осип’яна (черноголовка) з колегами з сколковського інституту науки і технологій (москва), прінстонського університету (сша) та інституту вальтера шотткі (німеччина) розвивають орігінальнийспособа виявлення нульових майоранівських мод — складно досяжних станів, в яких «майорани» можуть мати дуже низьку (нульову) енергію.
«майоранські моди, передбачені відомим фізиком олексієм китаєвим ще 20 років тому, могли б стати основою квантових комп’ютерів нового типу. Вельми інтенсивні їх пошуки хоча і привели до справжнього технологічного прориву, але все ж поки не увінчалися успіхом. Багато в чому це пов’язано з тим, що так звані “майорани” не володіють ні зарядом, ні спіном, а їх ключова властивість — нелокальність — складно продемонструвати звичними експериментальними методами”, — розповідає один з авторів дослідження вадим храпай, кандидат фізико-математичних наук, завідувач лабораторією електронної кінетики інституту фізики твердого тіла ран.
Під нелокальністю розуміється те властивість, що можна вплинути на об’єкт, безпосередньо з ним не взаємодіючи, як якщо б натискання на вимикач запалило просто лежить на столі лампочку — по суті, сигнал передається туди, де його очікувати не можна.
Майже такий» неймовірний ” експеримент провели автори роботи: вони пропускали електрику по напівпровідниковому дроті товщиною менше 100 нанометрів від одного контакту до іншого, проте на шляху струму знаходився надпровідник. Цей матеріал при низькій температурі не володіє опором, а тому носії зарядів повинні витікати по ньому, як по більш «зручному» шляху, не досягаючи кінцевої точки. Однак в ході експерименту фізики виявили тепловий (начебто «неможливий», а тому нелокальний) сигнал і на другому контакті, тобто вихідний потік розділився — електричний заряд відправився в надпровідник, а тепло далі по дроті.
Виявити тепловий сигнал дослідникам вдалося, спостерігаючи за дуже слабкими випадковими коливаннями електричного струму, відомими як дробовий шум. Така назва відображає сучасні уявлення про те, що заряд електрона неподільний, а значить протікання електричного струму схоже не на суцільний струмінь води, а на потік дощу, в якому кожна крапля (або дробинка) несе елементарний заряд. Дивно, але шум такого “дощу” підкаже, якого розміру кожна крапля.
” часто для виявлення фізичного ефекту ми вимірюємо електричний струм, тобто середню величину заряду, що протікає в одиницю часу. У випадку, наприклад, майоранських частинок, такий підхід абсолютно неефективний, оскільки кожна частинка народжує позитивний або негативний заряд з рівною ймовірністю. Зате, реєструючи шуми, можна виміряти повну кількість зарядів і величину переноситься ними тепла і вже таким чином “зловити” цю невловиму майорану. Подібний прихований ефект не тільки красивий сам по собі, але і міг би виявитися корисним при розробці особливо стійких квантових комп’ютерів», — пояснює вадим храпай.
07.10.2021
