Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Forscher werfen erstmals einen Blick ins Auge von Majoranas

01.12.2016

Majorana-Fermione gelten als Teilchen, mit denen sich möglicherweise die Informationseinheiten eines Quantencomputers realisieren lassen. Physiker vom Swiss Nanoscience Institute und Departement Physik der Universität Basel konnten im Experiment die Theorie bestätigen, dass am Ende von Drähten aus einzelnen Eisenatomen auf einem Supraleiter sogenannte Majorana-Fermionen erzeugt und gemessen werden können. Den Forschern gelang es zudem, die Welleneigenschaften der Majoranas zu beobachten und somit zum ersten Mal das Innere eines Majoranas sichtbar zu machen. Die Ergebnisse wurden in der Nature-Fachzeitschrift NPJ Quantum Information veröffentlicht.

Vor rund 75 Jahren vermutete der italienische Physiker Ettore Majorana die Existenz von exotischen Teilchen, die gleich ihrem eigenen Antiteilchen sind. Das Interesse an diesen Teilchen, Majorana-Fermionen genannt, ist seither enorm gestiegen, da sie bei der Realisierung eines Quantencomputers eine Rolle spielen könnten.


Rasterkraftmikroskopische Aufnahme des Endes eines mono-atomaren Eisendrahtes. Deutlich zu sehen sind die einzelnen Eisenatome und am Ende das «Auge» der Majorana-Fermionen.

Universität Basel, Departement Physik

Theoretisch sind die Majoranas bereits recht gut beschrieben. Ihr experimenteller Nachweis und ihre Untersuchung gestalten sich jedoch schwierig, da sie immer in Paaren vorkommen müssen, aber dann meistens zu einem normalen Elektron vereint sind. Es braucht daher sehr ausgeklügelte Kombinationen und Anordnungen von verschiedenen Materialien, um zwei Majoranas zu erzeugen und auf Abstand zu halten.

Zusammenarbeit von Theorie und Praxis

Basierend auf Vorhersagen und Berechnungen der theoretischen Physiker Prof. Jelena Klinovaja und Prof. Daniel Loss hat nun die Gruppe um Prof. Ernst Meyer (alle Swiss Nanoscience Institute und Departement Physik der Universität Basel) Zustände experimentell gemessen, die Majoranas entsprechen. Die Forscher haben dazu auf einem Supraleiter aus Blei einzelne Eisenatome mit Spin aufgedampft, die sich aufgrund der reihenförmigen Struktur der Bleiatome zu einem winzigen Draht bestehend aus einer Reihe einzelner Atome anordnen. Die Drähte erreichten dabei eine erstaunliche Länge von bis zu 70 Nanometern.

Einzelne Majoranas an den Enden

Die Forscher untersuchten diese mono-atomaren Nanodrähte mithilfe von Rastertunnelmikroskopie und erstmals auch mit einem Rasterkraftmikroskop. Anhand der Aufnahmen und Messungen fanden sie unter bestimmten Bedingungen und ab einer bestimmten Drahtlänge an den Enden der Drähte klare Hinweise auf das Vorhandensein von einzelnen Majorana-Fermionen.

Die beiden Majoranas an den Drahtenden sind dabei trotz ihrer räumlichen Trennung miteinander verbunden. Dadurch bilden sie gemeinsam einen neuen über den ganzen Draht ausgedehnten Zustand, der entweder durch ein Elektron besetzt («1») oder nicht besetzt («0») sein kann. Diese binäre Eigenschaft kann dann als Basis für ein Quanten-Bit (Qubit) dienen und macht die Majoranas, die zudem sehr robust gegen etliche Umwelteinflüsse sind, zu vielversprechenden Kandidaten für die Realisierung eines zukünftigen Quantencomputers.

Vorhergesagte Wellenfunktion gemessen

Die Basler Forscher haben nicht nur gezeigt, dass sich an den Enden des Eisendrahtes einzelne Majoranas erzeugen und messen lassen. Wie die Kolleginnen und Kollegen aus der Theorie bereits berechnet hatten, konnten sie nun erstmals auch experimentell belegen, dass die Majoranas eine Ausdehnung mit innerer Struktur aufweisen. Über einen Bereich von einigen Nanometern zeigten sie in den Messungen die erwartete Wellenfunktion mit charakteristischen Oszillationen und zweifachen Zerfallslängen, die nun zum ersten Mal deutlich sichtbar gemacht wurden.

Originalbeitrag

Rémy Pawlak, Marcin Kisiel, Jelena Klinovaja, Tobias Meier, Shigeki Kawai, Thilo Glatzel, Daniel Loss, and Ernst Meyer
Probing atomic structure and Majorana wavefunctions in mono-atomic Fe chains on superconducting Pb surface
npj Quantum Information (2016), doi: 10.1038/npjqi.2016.35

Weitere Auskünfte

Prof. Dr. Jelena Klinovaja, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 61 267 36 56, E-Mail: jelena.klinovaja@unibas.ch
Prof. Dr. Daniel Loss, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 (0)61 267 37 49, E-Mail: daniel.loss@unibas.ch
Prof. Dr. Ernst Meyer, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 (0)61 267 37 24, E-Mail: ernst.meyer@unibas.ch

Reto Caluori | Universität Basel
Weitere Informationen:
http://www.unibas.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik
21.09.2017 | Forschungszentrum MATHEON ECMath

nachricht Der stotternde Motor im Weltall
21.09.2017 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

23. Baltic Sea Forum am 11. und 12. Oktober nimmt Wirtschaftspartner Finnland in den Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

6. Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Zeichen von Smart Home

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

OLED auf hauchdünnem Edelstahl

21.09.2017 | Messenachrichten

Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik

21.09.2017 | Physik Astronomie

In Zeiten des Klimawandels: Was die Farbe eines Sees über seinen Zustand verrät

21.09.2017 | Geowissenschaften