Fysikum-teamet avslöjar lovande väg mot förverkligandet av svårfångade parafermioner
I sin senaste publikation i Nature Communications visar forskarna Hui Liu, Raul Perea-Causin och Emil J. Bergholtz att Fibonacci-parafermioner, som är exotiska kvasi-partiklar som hittills har undgått experimentell realisering, kan uppstå i experimentellt tillgängliga moiré-strukturer som är bildade genom att stapla tvådimensionella material med en relativ vridning. Parafermioner skiljer sig från vanliga fermioner (det vill säga elektroner, protoner och neutroner, vilka utgör materien omkring oss). Deras egenskaper innebär att två eller flera partiklar byts ut på ett sätt som påminner om flätning och det kan potentiellt utnyttjas för nya teknologier, exempelvis feltoleranta och universella kvantdatorer.
Konstnärlig illustration av parafermioner i en vriden flerlagersgraf-struktur. Bildkredit: Giuseppe Meneghini
Forskartrion som arbetar på Fysikum vid Stockholms universitet har visat att den så kallade Z₃ Read-Rezayi-fasen är stabil i en teoretisk modell av tvistad flerlagersgrafen. Resultaten antyder att Fibonacci-parafermioner, exotiska kvasi-partiklar som tidigare föreslagits uppstå i kvant-Hall-system men som ännu inte har realiserats på grund av låg stabilitet eller experimentella svårigheter, kan framträda i moiré-strukturer. Den Stockholmsbaserade studien pekar ut moiré-material som en lovande plattform för att slutligen realisera parafermioner. Till skillnad från tidigare föreslagna system erbjuder moiré-material en experimentellt tillgänglig och justerbar miljö där parafermioner potentiellt kan stabiliseras, även i frånvaro av ett magnetfält.
Parafermioner skiljer sig från vanliga fermioner (det vill säga elektroner, protoner och neutroner, vilka utgör materien omkring oss) genom sin så kallade icke-abelska statistik. Denna process, som i princip innebär att två eller flera partiklar utbyts på ett sätt som påminner om flätning, kan potentiellt utnyttjas för nya teknologier, exempelvis feltoleranta och universella kvantdatorer. I detta avseende är Fibonacci-parafermioner mer kraftfulla än Majorana-moder, som är enklare kvasi-partiklar vars realisering fortfarande är omstridd och som ensamma inte räcker för universell kvantberäkning. Den aktuella studien tyder på att Fibonacci-parafermioner till och med kan vara mer stabila än sina Majorana-motsvarigheter i moiré-material, tack vare frånvaron av konkurrerande faser. Sammantaget pekar resultaten på att moiré-material, som blivit en alltmer populär plattform för utforskning av exotiska kvantfaser, kan vara nyckeln till den första experimentella realiseringen av parafermioner.
Den fullständiga studien har publicerats i Nature Communications.
H. Liu, R. Perea-Causin, E. J. Bergholtz. Parafermions in moiré minibands. Nature Communications 16, 1770 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57035-x
Inspirerade av förverkligandet av fraktionella Chern-isolatorer i moirématerial, utforskar vi här nya sammanflätade topologiska ordningar som inte har några kända motsvarigheter till fraktionella kvanthall system.
Vi sammanför flera grundforskningsinriktningar som är under stark utveckling - från materialvetenskap och kvantoptik till teorin för topologiska tillstånd och aspekter av modern matematik — med potential att lägga en grund för framtida teknologi.
Vi utforskar ultrakalla system med långdistans- och ljusmedierade interaktioner för att avslöja nya kvanttillstånd, med potential att revolutionera teknologi och vår förståelse av världen på mikroskopisk skala.
Detta projekt utforskar teoretiskt nya möjligheter för skulpterade topologiska fenomen i nya flerkomponentssystem. Vi frågar vad som kan finnas snarare än vad som redan finns.
Detta projekt fokuserar på nydanande idéer inom topologisk materia såsom icke-Abelska anyoner från relativ vridning och defekter i Moiré heterostructurer samt topologiska fenomen i öppna dissipativa system.
Vi studerar kvantsystem och komplexa system - hur de är beskaffade och hur de skulle kunna vara - från vårt perspektiv baserat på matematik och teoretisk fysik.
