Blick in ein Majorana-Fermion

Majorana-Fer­mionen 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 Majorana-Fer­mionen erzeugt und gemessen werden können. Den Forschern gelang es zudem, die Wellen­eigen­schaften der Majorans zu beobachten und somit zum ersten Mal das Innere eines Majoranas sichtbar zu machen.

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 Majorana-Fer­mionen ist seither enorm gestiegen, da sie bei der Realisierung eines Quanten­computers eine Rolle spielen könnten. 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.

Basierend auf Vorher­sagen und Berech­nungen der theo­retischen Physiker Jelena Klinovaja und Daniel Loss hat nun die Gruppe um Ernst Meyer 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. 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 oder nicht besetzt sein kann. Diese binäre Eigen­schaft kann dann als Basis für ein Quanten-Bit dienen und macht die Majo­ranas, die zudem sehr robust gegen etliche Umwelt­einflüsse sind, zu viel­versprechen­den Kandidaten für die Reali­sierung eines zukünf­tigen Quanten­computers.

Die Basler Forscher haben nicht nur gezeigt, dass sich an den Enden des Eisen­drahtes einzelne Majoranas erzeugen und messen lassen. Wie sie zudem berechnet hatten, konnten sie erstmals 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.

U Basel / JOL