Το γραφένιο και τα σωμάτια Majorana

Τα σωμάτια Majorana είναι κάτι σπάνιο στη φυσική. Αντίθετα από τα άλλα φερμιόνια, τα ίδια είναι και αντισωμάτια του εαυτού τους. Σε χαμηλών διαστάσεων συστήματα, αυτά αναμένεται επίσης να αναδύονται ως οιονεί σωμάτια μηδενικής ενέργειας που ονομάζονται μηδενικές καταστάσεις Majorana, τα οποία έχουν μια ασυνήθιστη ιδιότητα: η ανταλλαγή δύο τέτοιων σωματίων αλλάζει την κοινή κβαντική κατάσταση τους κατά ένα τρόπο που εξαρτάται από τη σειρά με την οποία έγινε η ανταλλαγή.

Αυτή η ιδιότητα θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για να κατασκευαστούν οι στοιχειώδεις μονάδες ενός ανεκτικού σε σφάλματα, τοπολογικού κβαντικού υπολογιστή. Ο Pablo San-Jose από το Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών (CSIC) στη Μαδρίτη και οι συνεργάτες του, έχουν ήδη υποβάλει πρόταση για την παρατήρηση αυτών των οιονεί σωματίων στο γραφένιο, μια πάχους ενός ατόμου μορφή άνθρακα, γνωστό για την υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητά του.

Προηγουμένως, διάφορες ομάδες έχουν αναφέρει πειραματικές αποδείξεις των μηδενικών καταστάσεων Majorana σε μια ποικιλία συστημάτων στερεάς κατάστασης, που περιλαμβάνει ημιαγώγιμα νανοσύρματα και ατομικές αλυσίδες.

Αλλά τα στοιχεία δεν είναι ακλόνητα. Έτσι, οι ερευνητές ψάχνουν για εναλλακτικά υλικά φιλοξενίας για να ανιχνεύσουν αδιαμφισβήτητες υπογραφές αυτών των καταστάσεων. Ο San-Jose και οι συνεργάτες του υποδείχνουν πώς φέρνοντας σε επαφή ένα συμβατικό υπεραγωγό με ένα δείγμα γραφενίου, θα μπορούσε να δημιουργηθούν μηδενικές καταστάσεις Majorana στο εσωτερικό του δείγματος, υπό την προϋπόθεση ότι γραφένιο είναι σε μια μαγνητική φάση που ονομάζεται κεκλιμένος αντισιδηρομαγνητισμός.

Τέτοιος μαγνητισμός παράγει μια ισχυρά αποτελεσματική σύζευξη μεταξύ των σπιν των ηλεκτρονίων του υλικού φιλοξενίας και της ορμή τους, ένα αποτέλεσμα που διαφορετικά θα ήταν αμελητέο στο γραφενίου και είναι στην καρδιά των περισσότερων άλλων προτάσεων Majorana.

Η ομάδα πιστεύει ότι η πρότασή τους θα μπορούσε σύντομα να ελεγχθεί στο εργαστήριο με τη μέτρηση χαρακτηριστικών λειτουργιών Majorana στο ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει από μια μεταλλική επαφή σε ένα δείγμα γραφενίου.

Πηγή: http://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.5.041042