水的不同阶段 - 固体冰，液态水和水蒸气 - 的组合需要一些努力来实现。例如，如果您想在蒸汽旁边放置冰，则必须连续冷却水以保持固相，同时加热以保持气相。

对于凝聚态物理学家来说，这种在同一系统中创造不同条件的能力是可取的，因为有趣的现象和特性经常出现在两个阶段之间的界面上。目前感兴趣的是Majorana费米子可能出现在这些边界附近的条件。

Majorana费米子是一种称为准粒子的粒子状激发，它是由于各个电子分裂成两半而产生的。换句话说，电子成为两个Majorana准粒子的纠缠(连接)对，不管它们之间的距离如何，它都会持续存在。科学家们希望使用物理上分离在材料中的Majorana费米子，以量子计算机的构建模块 - 量子比特的形式可靠地存储信息。Majoranas的异域特性 - 包括它们对电磁场的高度不敏感性和其他环境“噪声” - 使它们成为长距离传输信息而不会丢失的理想选择。

然而，到目前为止，Majorana费米子仅在极端条件下的材料中实现，包括在接近绝对零度(?459华氏度)的寒冷温度和高磁场下。尽管它们在拓扑上受到保护，不受所有材料中存在的局部原子杂质，无序和缺陷的影响(即，即使材料弯曲，扭曲，拉伸或扭曲，它们的空间特性仍保持不变)，在强烈的扰动下无法生存。此外，它们可以运行的温度范围非常窄。由于这些原因，Majorana费米子还没有为实际技术应用做好准备。

现在，由美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室领导的物理学家团队，包括来自中国，德国和荷兰的合作者，提出了一种新的理论方法，用于生产更强大的Majorana费米子。根据他们的计算，正如1月15日发表在“物理评论快报”上的一篇论文中所描述的那样，这些马约拉纳斯出现在更高的温度下(多个数量级)并且基本上不受紊乱和噪音的影响。即使它们没有拓扑保护，如果扰动在空间中从一个点缓慢变化到另一个点，它们仍然可以持续存在。

“我们的数值和分析计算证明，Majorana费米子存在于磁性材料的边界，具有不同的磁相，或电子旋转的方向，彼此相邻，”共同作者，Condensed的高级科学家和领导人Alexei Tsvelik说。布鲁克海文实验室凝聚态物理与材料科学(CMPMS)部门的物质理论小组。“如果你结合某些磁相，我们还确定了你应该得到的Majorana费米子的数量。”

对于他们的理论研究，科学家们专注于称为旋转梯子的磁性材料，旋转梯子是由具有三维(3-D)结构的原子形成的晶体，细分为看起来像梯子的成对链。虽然科学家们多年来一直在研究旋转梯系统的性质，并且预计他们会生产Majorana费米子，但他们不知道有多少。为了进行计算，他们应用量子场理论的数学框架来描述基本粒子的基本物理，并应用数值方法(密度矩阵重整化群)来模拟电子以强相关方式运行的量子系统。

“我们惊讶地发现，对于某些磁相配置，我们可以在每个边界产生不止一个Majorana费米子，”共同作者和CMPMS部门主席Robert Konik说。

对于Majorana费米子在量子计算中实际有用，它们需要大量生成。计算专家认为，量子计算机能够解决经典计算机无法解决的问题的最小阈值是100个量子比特。Majorana费米子也必须以可以变得纠缠的方式移动。

该团队计划使用诸如量子点(纳米尺寸半导体粒子)或捕获(受限)离子等工程系统的实验来跟进他们的理论研究。与真实材料的特性相比，工程材料的特性可以更容易地调整和操纵，以引入Majorana费米子可能出现的不同相界。

“现在还不清楚下一代量子计算机的制造情况，”Konik说。“我们正试图找到更好的替代当前一代的低温超导体，类似于硅取代晶体管中的锗。我们处于早期阶段，我们需要探索所有可能的可能性。”