一维量子纳米线是马约拉纳零模研究的沃土

为什么研究一维量子纳米线的自旋特性很重要?

量子纳米线——有长度但没有宽度和高度——为准粒子的形成和检测提供了独特的环境马约拉纳零模式．

联合国社会科学院领导的一项新的研究克服了以前探测马约拉纳零模式的困难，并在设备再现性方面取得了显著改善。

马约拉纳零模式的潜在应用包括抗错拓扑量子计算机和拓扑超导。

马约拉纳费米子是一种复合粒子，它是自己的反粒子。

反物质解释:每个基本粒子都有一个相应的反物质粒子，质量相同，但电荷相反。例如，电子(电荷-1)的反粒子是正电子(电荷+1)

这种不寻常的粒子在学术上和商业上的兴趣来自于它们在拓扑量子计算机中的潜在用途，预计将不受随机化珍贵量子信息的退相干的影响。

马约拉纳零模式可以在由特殊材料制成的量子线中产生，其中它们的电特性和磁特性之间存在强耦合。

特别是，当与超导体耦合时，可以在一维半导体(如半导体纳米线)中产生马约拉纳零模式。

在一维纳米线中，其垂直于长度的尺寸小到不允许亚原子粒子运动，量子效应占主导地位。

马约拉纳费米子是它们自己的反粒子，自1937年以来就被建立了理论，但直到最近十年才被实验观察到。
马约拉纳费米子对退相干的“免疫”为容错量子计算提供了潜在的用途。

具有强自旋-轨道相互作用的一维半导体系统因其在拓扑量子计算中的潜在应用而备受关注。

电子的磁“自旋”就像一个小条形磁铁，它的方向可以通过外加磁场来设定。

在具有“自旋-轨道相互作用”的材料中，电子的自旋是由运动方向决定的，即使在零磁场下也是如此。这允许对磁量子特性进行所有的电子操作。

对这样的系统施加磁场可以打开一个能隙，这样向前移动的电子都具有相同的自旋极化，而向后移动的电子具有相反的极化。这种“自旋间隙”是形成马约拉纳零模的先决条件。

尽管有大量的实验工作，但事实证明，要明确地检测半导体纳米线中的这种自旋间隙是极其困难的，因为自旋间隙的特征特征(施加磁场时其电导平台的下降)很难与纳米线中不可避免的背景无序区分开。

这项新研究发现了自旋轨道间隙的一个新的、明确的特征，它不受困扰以前研究的无序效应的影响。

“这一特征将成为未来探测自旋间隙的事实上的标准，”主要作者Karina Hudson博士说。

第一作者FLEET研究员Karina Hudson博士(新南威尔士大学/悉尼量子学院)

在可扩展量子计算机中使用马约拉纳零模式面临着额外的挑战，因为承载MZM的自组装纳米线存在随机无序和缺陷。

以前几乎不可能制造出可复制的器件，只有大约10%的器件在所需参数内运行。

新南威尔士大学的最新结果显示了显著的改进，基于三种不同的启动晶圆，在六个设备上获得了可重复的结果。

“这项工作开辟了一条制造完全可复制设备的新途径，”通讯作者亚历克斯·汉密尔顿教授说。

量子点接触中自旋间隙的新特征发表于自然通讯2021年1月(DOI 10.1038/s41467-020-19895-3)。

除了澳大利亚研究委员会的支持，德国研究委员会也提供了资金德意志Forschungsgemeinschaft英国的工程和物理科学研究委员会和悉尼量子学院．

量子点接触结构(左)，施加电压将电子运动限制在一维，电导(右)显示施加磁场的影响(红色)

半导体晶体是在剑桥大学和Ruhr-Universitat波鸿．设备是在新南威尔士大学、悉尼．理论研究在麻省大学波士顿分校路德维希马克西米利安Universität, München。

一维量子纳米线是马约拉纳零模的沃土