Квазичастицами в квантовой механике называют коллективное поведение группы частиц (например, возбуждение), с которыми можно обращаться так, как если бы они были одной частицей. Среди многочисленных видов квазичастиц имеются так называемые майорановские нулевые моды – это особые состояния, возникающие внутри сверхпроводников с особыми топологическими свойствами (так называемых топологических сверхпроводниках). Важная особенность этих квазичастиц заключается в том, что они обладают нулевой энергией. Майорановские нулевые моды уникальных квазичастиц считаются перспективными кандидатами на роль кубитов в квантовых компьютерах. Дело в том, что они обладают особым свойством так называемой топологической защищенностью: информация, закодированная в таких состояниях, устойчива к локальным возмущениям. Это свойство делает их идеальными «строительными блоками» для организации отказоустойчивых квантовых вычислений.
Однако обнаружение этих квазичастиц на практике сопряжено с серьезными трудностями. В образующемсяв топологическом сверхпроводнике вихре, помимо самой майорановской моды, находящейся строго на нулевом уровне энергии, существует множество обычных возбуждений с конечными энергиями. Энергетический зазор между ними ничтожно мал, из-за чего в эксперименте их сигналы сливаются. Чтобы решить эту проблему, научное сообщество традиционно искало экзотические материалы с особым соотношением физических параметров, например, сверхпроводники на основе железа. Но такие материалы часто содержат магнитные дефекты, которые серьезно искажают результаты измерений.
Ученые МИФИ предложили контринтуитивное решение: использовать обычные сверхпроводники, но намеренно вводить в них немагнитные примеси. Используя компьютерное моделирование на основе микроскопического подхода Боголюбова-де Жена, сотрудники кафедры ФТТиН совместно с коллегами продемонстрировали, что такие примеси действуют как своеобразный энергетический фильтр. Исследование опубликовано в высокорейтинговом журнале Research.
«Наши результаты опровергают распространенное мнение о том, что для обнаружения майорановских мод требуются идеально чистые материалы с экстремальными характеристиками. Мы показали, что немагнитная примесь, на которой может закрепляться вихрь, не затрагивает саму майорановскую моду благодаря ее топологической защищенности, но «расталкивает» остальные, паразитные энергетические состояния», — пояснил Андрей Красавин.
Это объясняется разной природой связанных состояний: майорановская мода устойчива к локальному потенциалу примеси, тогда как обычные состояния чувствительны к беспорядку, и их уровни энергии смещаются. В результате энергетический зазор между полезным сигналом и шумом увеличивается, позволяя зафиксировать пик плотности состояний, соответствующий искомой квазичастице. Об устойчивости эффекта свидетельствуют расчеты для различных параметров потенциала примеси: при увеличении силы потенциала «обычные» уровни монотонно удаляются от центра запрещенной зоны, оставляя майорановскую нулевую моду в гордом одиночестве.
Значимость полученных результатов для развития квантовых технологий в университете прокомментировал заведующий кафедрой физики твердого тела и наносистем НИЯУ МИФИ, доктор физико-математических наук Михаил Маслов: «На нашей кафедре исторически сложилась сильная школа как теоретической, так и экспериментальной физики сверхпроводимости. Наши сотрудники регулярно получают результаты мирового уровня, и мы продолжаем развивать эту область как одно из ключевых научных направлений. Данная работа имеет принципиальное значение, поскольку открывает путь к использованию более доступных материалов в квантовых вычислениях. Создание кубитов становится возможным на основе гибридных структур из обычных s-волновых сверхпроводников с помощью современных нанотехнологических подходов для формирования искусственных центров пиннинга».