Majoranův fermion na konci nanodrátku z atomů železa. Kredit: University of Basel.

Částice, které jsou zároveň svou antičásticí. Takhle si je před 75 lety vymyslel italský fyzik s naprosto hollywoodským osudem Ettore Majorana, po němž dostaly i jméno – Majoranovy fermiony. Majorana 25. března 1938 záhadně zmizel během plavby z Palerma do Neapole a až do února 2015 si všichni mysleli, že tehdy nejspíš zemřel, což nakonec asi nebyla pravda. Ať už ale Majorana skončil kdekoliv, zůstaly nám po něm právě Majoranovy fermiony.

Ettore Majorana. Kredit: volně dostupné, Wikimedia Commons.

Zájem o tyto zvláštní částice vzrůstal a v dnešní době jsou velice populární, protože by mohly být velmi užitečné při stavbě kvantových počítačů. Majorana své fermiony vymyslel dobře. Problém je v tom, že velmi vzdorují výzkumu. Mají sklon se vyskytovat v párech a v nich se obvykle spojí a vytvoří obyčejný elektron. Vědci se proto už dlouho snaží namíchat různé materiály a různá experimentální uspořádání tak, aby mohli vytvořit, udržet a pozorovat dva oddělené Majoranovy fermiony. 
Nakonec se to povedlo fyzikům Švýcarského institutu nanověd a Univerzity v Basileji. Tým, který vedl Ernst Meyer, úspěšně potvrdil teorii, podle které Majoranovy fermiony mohou být vytvořeny a také změřeny v podobě kvazičástic na supravodiči – na konci nanodrátků vyrobených z jediné řady atomů železa. Badatelům se rovněž povedlo pozorovat vlnovou povahu Majoranových fermionů, a díky tomu se jako první podívali dovnitř Majoranova fermionu. Výsledky zajímavého výzkumu publikoval časopis s netradičním názvem Nature npj Quantum Information.

Ernst Meyer. Kredit: University of Basel.

Badatelé v experimentu uspořádali atomy železa na podložce z atomů olova do nanodrátků, které měřily až 70 nanometrů. Pak nanodrátky z jediné řady atomů železa studovali pomocí řádkovacího tunelovacího mikroskopu, a také s mikroskopem atomárních sil.

Universität Basel

Snímky z těchto zobrazovacích metod a příslušná měření přivedli autory k závěru, že za jistých podmínek na koncích nanodrátků zcela zřetelně existují jednotlivé Majoranovy fermiony.

Navzdory tomu jsou ale Majoranovy fermiony z obou konců nanodrátku stále určitým způsobem propojené. Tím vytvářejí nový stav, který se rozprostírá přes celý nanodrátek. Tento stav může být buď obsazen (1) nebo neobsazen (0) elektronem. Takový jev by se mohl stát základem pro kvantový bit (qubit), což by mělo nesporné výhody. Majoranovy fermiony jsou totiž velmi odolné vůči vlivům z okolního prostředí, a to by stavitelé kvantových počítačů brali všemi deseti. Meyer a spol. také jako první experimentálně doložili, že Majoranovy fermiony jsou kvantové objekty s vnitřní strukturou, a pozorovali jejich vlnovou povahu.


Video:  Quantum Computation possible with Majorana Fermions


Literatura
University of Basel 1. 12. 2016, npj Quantum Information 2: 16035 (online 29. 11. 2016)
Quantum Computation possible with Majorana Fermions