image: 图1: 量子反常霍尔绝缘体(QAHI)拓扑超导(TSC)复合结中, 手性马约拉纳费米子在磁场下的输运过程。黑色实线箭头代表QAHI边态, 红色实线箭头代表手性马约拉纳边态, 一个QAHI边态在拓扑上等价于两个手性马约拉纳边态。黑色虚线表示一个约瑟夫森结。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
八十多年前, 意大利物理学家埃托雷•马约拉纳提出一种基本粒子, 其反粒子是其自身, 后来被称为马约拉纳费米子。在凝聚态体系中, 一些新奇的准粒子激发具有马约拉纳费米子的性质, 即其产生算符和湮灭算符相同, 这样的准粒子服从非阿贝尔统计。由于其在可容错的拓扑量子计算方面具有潜在应用价值因而受到人们的广泛关注。2017年美国一个研究团队在量子反常霍尔绝缘体-拓扑超导复合结中观测到在边界上存在手性马约拉纳费米子的证据。为了进一步将马约拉纳费米子应用于实际的器件中, 实现对其有效调控将是很重要的一个环节。考虑到马约拉纳费米子是电中性的, 利用电磁相互作用直接调控马约拉纳费米子将非常困难, 最近一项研究提出了利用磁场间接调控手性马约拉纳费米子的方案。
研究相关的论文题为: “Magnetic flux control of chiral Majorana edge modes in topological superconductor”, 已在2018年第12期Science China-Physics, Mechanics & Astronomy上发表, 由北京大学物理学院三位博士生周彦峰、侯哲、吕鹏和孙庆丰教授、谢心澄教授合作获得。作者用非平衡格林函数方法研究了由量子反常霍尔绝缘体和环形拓扑超导体构成的复合结在磁场下的输运性质。通过在环形拓扑超导中引入一个约瑟夫森结, 使得可以连续地调节穿过拓扑超导的磁通, 结果表明改变磁通会引起拓扑超导约瑟夫森结发生一个拓扑相变, 在非平庸的相区, 环形拓扑超导的内边界会出现一个马约拉纳零模, 而在平庸相区该零模消失。借由外边界上的手性马约拉纳费米子与内边界上的零模之间的共振遂穿, 可以改变手性马约拉纳费米子的输运路径, 进而实现对其的操控。输运过程如图1所示。
进一步分析表明, 在磁通的调控下从同一根导线入射的两个手性马约拉纳费米子存在三种不同的输运模式: a) 两者同时被反射回来, b) 两者同时透射到另外的导线, c)其中一个手性马约拉纳被反射回来, 而另一个透射到另外导线。对不同尺寸的环形拓扑超导, 通过调节磁通, 可以实现a)-c)或者b)-c)输运模式之间的切换。这一研究成果不仅提供了一种在实验上可行的利用磁场调控手性马约拉纳费米子输运的方案, 同时对手性马约拉纳费米子实现其编织方面也具有潜在的应用价值。
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该项研究得到了国家重点研发计划(No. 2017YFA0303301), 国家基础研究发展计划(No. 2015CB921102), 国家自然科学基金(Nos. 1574007, and 11534001), 中国科学院先导培育计划(No. XDPB08-4)的资助。
更多详情请阅原文:
Yan-Feng Zhou, Zhe Hou, Peng Lv, XinCheng Xie, and Qing-Feng Sun, Magnetic flux control of chiral Majorana edge modes in topological superconductor, SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2018, Vol. 61 No. 12: 127811
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-018-9293-6
https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-018-9293-6