二維約瑟夫森結的方案：夾在兩個超導體S（灰色）之間的常規導電二維電子氣。如果施加面內磁場，預計Majorana費米子將出現在正常區域的末端。Majorana顆粒是基本顆粒家族中非常奇特的成員。義大利物理學家Ettore Majorana於1937年首次預測，這些粒子屬於所謂的費米子群，也包括電子，中子和質子。Majorana費米子是電中性的，也是他們自己的反粒子。例如，這些外來粒子可以在拓撲超導體中作為準粒子出現，並且代表拓撲量子計算機的理想構建塊。
走向兩個維度
在基於Majorana準粒子的拓撲量子計算機的道路上，來自維爾茨堡大學的物理學家和來自哈佛大學（美國）的同事們邁出了重要的一步：此領域的先前實驗主要集中在一維系統上來自維爾茨堡和哈佛的團隊成功地進入了二維系統。
在這次合作中，來自維爾茨堡大學的Ewelina Hankiewicz（Theoretische Physik IV）和Laurens Molenkamp（Experimentelle Physik III）的團隊與來自哈佛大學的Amir Yacoby和Bertrand Halperin團隊合作。他們的研究結果發表在最新一期的自然科學期刊上。
兩個超導體可以簡化問題
「實現Majorana 費米子是凝聚態物理學中研究最深入的主題之一，」Ewelina Hankiewicz說。據她介紹，以前的實現通常集中在一維系統，如納米線。她解釋說，在這些設置中操縱Majorana費米子是非常困難的。因此，需要做出巨大努力才能使這些設置中的Majorana費米子最終適用於量子計算。
為了避免這些困難，研究人員研究了具有強自旋 - 軌道耦合的二維系統中的Majorana費米子。「我們研究的系統是一個所謂的相控約瑟夫森結，即兩個被正常區域隔開的超導體，」Laurens Molenkamp解釋說。兩個超導體之間的超導相位差提供了額外的旋鈕，這使得其他系統參數的複雜微調至少部分不必要。
朝著改進控制邁出的重要一步
在所研究的材料中，碲化鎘量子阱與超導薄膜鋁耦合，物理學家首次觀察到拓撲相變，這意味著在相控約瑟夫森結中出現了Majorana費米子。
實驗中實現的設置構成了Majorana費米子的創建，操作和控制的通用平臺，與以前的一維平臺相比，它具有多種優勢。根據Hankiewicz的說法，「這是改善Majorana費米子控制的重要一步。」 基於二維約瑟夫森結的拓撲超導體的概念證明為凝聚態物理中的Majorana費米子的研究開闢了新的可能性。特別是，可以避免先前實現的Majorana費米子的若干約束。
計算機技術的潛在革命
同時，對Majorana費米子的改進控制代表了拓撲量子計算機的重要一步。從理論上講，這種計算機可以比傳統計算機強大得多。因此，它們有可能徹底改變計算機技術。
接下來，研究人員計劃改進約瑟夫森結並向更窄的正常區域移動。在這裡，預計會有更多本地化的Majorana費米子。他們進一步研究了操縱Majorana費米子的其他可能性，例如，通過使用其他半導體。