En magnetisk metode til at kontrollere transporten af ​​chirale Majorana fermioner

Majorana fermion, en partikel, der er dens egen antipartikel, blev oprindeligt introduceret som en formodet elementær partikel af Ettore Majorana i 1937, og den chirale Majorana fermion blev eksperimentelt observeret i topologiske superledere i 2017. Da Majorana fermion er en ladningsneutral partikel, den direkte effekt på Majorana fermioner ved elektromagnetiske metoder skulle mislykkes. Nu, forskere har foreslået en ordning til at kontrollere transporten af ​​chirale Majorana-kanttilstande i et ringformet Josephson-kryds mellem en topologisk superleder ved hjælp af magnetisk flux.

Eksotiske excitationer med karakteristika for Majorana fermioner i systemer med kondenseret materiale tiltrækker stor interesse på grund af deres ikke-abelske fletningsstatistik med mulige anvendelser i topologisk kvanteberegning. Topologiske superledere giver en grobund for at understøtte disse Majorana -excitationer ved deres kanter og ved topologiske defekter. Teoretiske forslag viser, at en sådan eksotisk superledning kan realiseres ved at bringe visse topologiske spørgsmål i nærheden af ​​en s-bølge superleder. I 2017, gruppen ledet af prof. Wang ved University of California, Los Angeles, realiserede den chirale topologiske superleder ved at koble en kvante-anomal Hall-isolator med en s-bølge superleder og observerede et halvt heltal konduktansplateau, hvilket giver en sandsynlig signatur af chirale Majorana fermioner.

For yderligere at udnytte den praktiske anvendelse af Majorana fermioner i realistiske enheder, det er afgørende at kontrollere og manipulere Majorana-excitationer i systemer med kondensat. I betragtning af at Majorana fermion er en ladningsneutral partikel, den direkte effekt på Majorana fermioner ved elektriske eller magnetiske metoder skulle mislykkes. En nylig undersøgelse foreslog en magnetisk metode til at kontrollere transporten af ​​chirale Majorana fermioner i topologiske superledere.

Det tilhørende forskningspapir, med titlen "Magnetisk fluxkontrol af chirale Majorana -kanttilstande i topologisk superleder, "blev offentliggjort i SCIENCE KINA-Fysik, Mekanik og astronomi , bind 61, 2018. Forskningsarbejdet blev afsluttet af ph.d. studerende Zhou, Hou, Lv og prof. Sun og prof. Xie, Fysisk Skole, Peking Universitet.

Forskerne undersøgte transporten af ​​chirale Majorana-kanttilstande i et hybrid-kvanteafvægtigt Hall-isolator-topologisk superleder-system, hvor den topologiske superlederregion indeholder et Josephson-kryds og et hulrum som vist i figur 1. Josephson-krydset gennemgår en topologisk overgang, når den magnetiske strømning gennem hulrummet passerer gennem et heltal af multipel af magnetisk fluxkvante. I den ikke -private fase, en Majorana-tilstand med nul energi vises i hulrummet, mens den forsvinder for triviel fase. Ved hjælp af den resonante tunneling mellem nul Majorana -tilstand og de chirale Majorana -kanttilstande, der omkranser den ydre omkreds af topologisk superleder, transportretningen af ​​de chirale Majorana -kanter kan ændres som angivet med stiplede pile i figur 1. Dette resultat tyder på en magnetisk metode til at kontrollere de chirale Majorana fermioner.

Yderligere analyse viser, at tre forskellige transportmønstre kan identificeres for et par indkommende chirale Majorana fermioner i dette system:(a) begge reflekteres totalt tilbage; (b) begge er overført til en anden bly; (c) en af ​​dem reflekteres tilbage, og en anden overføres til en anden bly. Transportmønsteret kan skiftes ved at ændre størrelsen på det topologiske superlederområde og magnetiske flux.

"Disse fund kan give en gennemførlig ordning til at kontrollere transporten af ​​chirale Majorana fermioner ved hjælp af magnetfeltet, "forklarede forskerne, "og har potentielle applikationer til fletning af Majorana -staterne."