Международная исследовательская группа, в состав которой вошли учёные из Московского физико-технического института (МФТИ), НИУ ВШЭ, НИЯУ МИФИ и Высшей школы промышленной физики и химии Парижа (ESPCI Paris), предложила новый принцип для однозначного обнаружения майорановских квазичастиц.
Результаты исследования, способного ускорить создание топологических квантовых компьютеров, опубликованы в престижном научном журнале. Майорановские моды нулевой энергии (Majorana Zero Modes, MZMs), локализованные в вихрях топологических сверхпроводников, рассматриваются как перспективные кирпичики для создания устойчивых к ошибкам (fault-tolerant) квантовых компьютеров. Однако их прямое экспериментальное обнаружение до сих пор остаётся серьёзной проблемой. Основная сложность — ничтожно малый энергетический зазор, отделяющий эти экзотические состояния от обычных квазичастичных возбуждений внутри вихря (состояний Караоли–де Жена–Матрикона).
В своей работе исследователи с помощью микроскопического подхода Боголюбова–де Жена смоделировали влияние не магнитных примесей на спектр вихревых состояний. Неожиданно оказалось, что такие примеси не подавляют, а, наоборот, могут существенно увеличивать энергетический зазор между майорановской модой и ближайшими к ней возбуждениями. Уникальная топологическая защищённость MZMs делает их устойчивыми к локальным возмущениям, в то время как обычные состояния смещаются под действием примесного потенциала. Это приводит к формированию выраженного пика нулевого смещения в локальной плотности состояний, который служит чётким экспериментальным сигналом.
«Наши результаты ставят под сомнение распространённое мнение о том, что для детекции майорановских мод необходимы материалы с экстремально большим отношением сверхпроводящей щели к энергии Ферми (Δ/EF). Вместо этого мы показываем, что целенаправленно созданные центры пиннинга (например, нанокластеры или точечные дефекты) в обычных s-волновых сверхпроводниках могут служить практичной и удобной для экспериментов альтернативой», — комментирует Андрей Красавин.
Это открытие прокладывает новый путь к экспериментальному обнаружению MZMs с использованием более доступных материалов и методик, что может стать важным шагом на пути к реализации топологического квантового вычисления.
Работа выполнена при участии Вячеслава Неверова (МФТИ), Тайржана Карабасова (МФТИ, ВШЭ), Андрея Красавина (ВШЭ, МИФИ), Дмитрия Родичева (ESPCI Paris, PSL), Василия Столярова (МФТИ, ESPCI Paris) и Алексея Вагова (ВШЭ).
