深度講解:半導體-超導體納米線中的Majorana振蕩

2021-02-14 中國科學雜誌社

參考文獻


[1] Zhan Cao, Hao Zhang, Hai-Feng Lü, Wan-Xiu He, Hai-Zhou Lu*, X. C. Xie, "Decays of Majorana or Andreev oscillations induced by steplike spin-orbit coupling", Phys. Rev. Lett. 122, 147701 (2019).

 

[2] 朱國毅, 王瑞蕊, 張廣銘, "Majorana費米子與拓撲量子計算", 物理 46, 154 (2017).

 

[3] D. J. Griffiths, "Introduction to Quantum Mechanics", 2nd ed. (Pearson 2005).

 

[4] J. J. Sakurai and J. Napolitano, "Modern Quantum Mechanics", 2nd ed. (Addison-Wesley 2011).

 

[5] Shun-Qing Shen, "Topological Insulator", 2nd ed. (Springer 2017).

 

[6] E. Majorana, Nuovo Cim. 14, 171 (1937).

 

[7] F. Wilczek, "Majorana returns", Nature Phys. 5, 614 (2009).

 

[8] A. Y. Kitaev, "Fault-tolerant quantum computation by anyons", Ann. Phys. (Amsterdam) 303, 2 (2003).

 

[9] C. Nayak, S. H. Simon, A. Stern, M. Freedman, and S. Das Sarma, "Non-Abelian anyons and topological quantum computation", Rev. Mod. Phys. 80, 1083 (2008).

 

[10] D. A. Ivanov, Phys. Rev. Lett. 86, 268 (2001).

 

[11] Jason Alicea, "Majorana fermions in a tunable semiconductor device ", Phys. Rev. B 81, 125318 (2010).

 

[12] A. Y. Kitaev, "Unpaired Majorana fermions in quantum wires", Physics-Uspekhi 44, 131 (2001).

 

[13] L. Fu, C. L. Kane, "Superconducting Proximity Effect and Majorana Fermions at the Surface of a Topological Insulator", Phys. Rev. Lett. 100, 096407 (2008).

 

[14] R. M. Lutchyn, J. D. Sau, and S. Das Sarma, "Majorana fermions and a topological phase transition in semiconductor-superconductor heterostructures", Phys. Rev. Lett. 105, 077001 (2010).

 

[15] Y. Oreg, G. Refael, and F. von Oppen, "Helical liquids and Majorana bound states in quantum wires", Phys. Rev. Lett. 105, 177002 (2010).

 

[16] V. Mourik, K. Zuo, S. M. Frolov, S. Plissard, E. P. Bakkers, and L. P. Kouwenhoven, "Signatures of Majorana fermions in hybrid superconductor-semiconductor nanowire devices", Science 336, 1003 (2012).

 

[17] M. T. Deng, C. Yu, G. Huang, M. Larsson, P. Caroff, and H. Xu, "Anomalous zero-bias conductance peak in a Nb-InSb nanowire-Nb hybrid device", Nano Lett. 12, 6414 (2012).

 

[18] A. Das, Y. Ronen, Y. Most, Y. Oreg, M. Heiblum, and H. Shtrikman, "Zero-bias peaks and splitting in an Al-InAs nanowire topological superconductor as a signature of Majorana fermions", Nat. Phys. 8, 887 (2012).

 

[19] Jie Liu, Andrew C. Potter, K. T. Law, and Patrick A. Lee, "Zero-Bias Peaks in the Tunneling Conductance of Spin-Orbit-Coupled Superconducting Wires with and without Majorana End-States", Phys. Rev. Lett. 109, 267002 (2012).

 

[20] K. T. Law, P. A. Lee, T. K. Ng, Phys. Rev. Lett. 103, 237001 (2009).

 

[21] Hao Zhang, Chun-Xiao Liu, Sasa Gazibegovic, Di Xu, John A. Logan, Guanzhong Wang, Nick van Loo, Jouri D.S. Bommer, Michiel W.A. de Moor, Diana Car, Roy L. M. Op het Veld, Petrus J. van Veldhoven, Sebastian Koelling, Marcel A. Verheijen, Mihir Pendharkar, Daniel J. Pennachio, Borzoyeh Shojaei, Joon Sue Lee, Chris J. Palmstrom, Erik P.A.M. Bakkers, S. Das Sarma, Leo P. Kouwenhoven, "Quantized Majorana conductance", Nature (London) 556, 74 (2018).

 

[22] Stevan Nadj-Perge, Ilya K. Drozdov, Jian Li, Hua Chen, Sangjun Jeon, Jungpil Seo, Allan H. MacDonald, B. Andrei Bernevig, Ali Yazdani, "Observation of Majorana fermions in ferromagnetic atomic chains on a superconductor", Science 346, 602 (2014).

 

[23] Jin-Peng Xu, Mei-Xiao Wang, Zhi Long Liu, Jian-Feng Ge, Xiaojun Yang, Canhua Liu, Zhu An Xu, Dandan Guan, Chun Lei Gao, Dong Qian, Ying Liu, Qiang-Hua Wang, Fu-Chun Zhang, Qi-Kun Xue, and Jin-Feng Jia, "Experimental Detection of a Majorana Mode in the core of a Magnetic Vortex inside a Topological Insulator-Superconductor Bi2Te3/NbSe2 Heterostructure", Phys. Rev. Lett. 114, 017001 (2015).

 

[24] Hao-Hua Sun, Kai-Wen Zhang, Lun-Hui Hu, Chuang Li, Guan-Yong Wang, Hai-Yang Ma, Zhu-An Xu, Chun-Lei Gao, Dan-Dan Guan, Yao-Yi Li, Canhua Liu, Dong Qian, Yi Zhou, Liang Fu, Shao-Chun Li, Fu-Chun Zhang, and Jin-Feng Jia, "Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the Vortex of a Topological Superconductor", Phys. Rev. Lett. 116, 257003 (2016).

 

[25] J. X. Yin, Zheng Wu, J. H. Wang, Z. Y. Ye, Jing Gong, X. Y. Hou, Lei Shan, Ang Li, X. J. Liang, X. X. Wu, Jian Li, C. S. Ting, Z. Q. Wang, J. P. Hu, P. H. Hor, H. Ding, and S. H. Pan, "Observation of a robust zero-energy bound state in iron-based superconductor Fe(Te,Se)", Nature Phys. 11, 543 (2015).

 

[26] Peng Zhang, Koichiro Yaji, Takahiro Hashimoto, Yuichi Ota, Takeshi Kondo, Kozo Okazaki, Zhijun Wang, Jinsheng Wen, G. D. Gu, Hong Ding, Shik Shin, "Observation of topological superconductivity on the surface of an iron-based superconductor", Science 360, 182 (2018).

 

[27] Dongfei Wang, Lingyuan Kong, Peng Fan, Hui Chen, Shiyu Zhu, Wenyao Liu, Lu Cao, Yujie Sun, Shixuan Du, John Schneeloch, Ruidan Zhong, Genda Gu, Liang Fu, Hong Ding, Hong-Jun Gao, "Evidence for Majorana bound states in an iron-based superconductor", Science 362, 333 (2018).

 

[28] Kun Jiang, Xi Dai, and Ziqiang Wang, "Quantum Anomalous Vortex and Majorana Zero Mode in Iron-Based Superconductor Fe (Te,Se)", Phys. Rev. X 9, 011033 (2019).

 

[29] C. Chen(陳晨), Q. Liu(劉琴), T. Z. Zhang(張天真), D. Li(李棟), P. P. Shen(沈沛沛), X. L. Dong(董曉莉), Z.-X. Zhao(趙忠賢), T. Zhang(張童), D. L. Feng(封東來), "Quantized Conductance of Majorana Zero Mode in the Vortex of the Topological Superconductor (Li0.84Fe0.16)OHFeSe", Chin. Phys. Lett. 2019 36: 057403

 

[30] Hai-Feng Lü, Hai-Zhou Lu, and Shun-Qing Shen, "Current noise cross correlation mediated by Majorana bound states", Phys. Rev. B 90, 195404 (2014).

 

[31] S. Das Sarma, J. D. Sau, and T. D. Stanescu, "Splitting of the zero-bias conductance peak as smoking gun evidence for the existence of the Majorana mode in a superconductor-semiconductor nanowire", Phys. Rev. B 86, 220506(R) (2012).

 

[32] S. M. Albrecht, A. Higginbotham, M. Madsen, F. Kuemmeth, T. S. Jespersen, J. Nyg_ard, P. Krogstrup, and C. Marcus, "Exponential protection of zero modes in Majorana islands", Nature (London) 531, 206 (2016).

 

[33] D. Sherman, J. Yodh, S. Albrecht, J. Nygard, P. Krogstrup, and C. Marcus, "Normal, superconducting and topological regimes of hybrid double quantum dots", Nature Nanotechnol. 12, 212 (2017).

 

[34] S. M. Albrecht, E. B. Hansen, A. P. Higginbotham, F. Kuemmeth, T. S. Jespersen, J. Nyg_ard, P. Krogstrup, J. Danon, K. Flensberg, and C. M. Marcus, "Transport signatures of quasiparticle poisoning in a Majorana island", Phys. Rev. Lett. 118, 137701 (2017).

 

[35] S. Vaitiekėnas, A. M. Whiticar, M.-T. Deng, F. Krizek, J. E. Sestoft, C. J. Palmstrøm, S. Marti-Sanchez, J. Arbiol, P. Krogstrup, L. Casparis, and C. M. Marcus, "Selective-area-grown semiconductor-superconductor hybrids: A basis for topological networks", Phys. Rev. Lett. 121, 147701 (2018).

 

[36] E. C. T. OʼFarrell, A. C. C. Drachmann, M. Hell, A. Fornieri, A. M. Whiticar, E. B. Hansen, S. Gronin, G. C. Gardner, C. Thomas, M. J. Manfra, K. Flensberg, C. M. Marcus, and F. Nichele, "Hybridization of subgap states in one-dimensional superconductor-semiconductor Coulomb islands", Phys. Rev. Lett. 121, 256803 (2018).

 

[37] J. D. Bommer, Hao Zhang, Önder Gül, Bas Nijholt, Michael Wimmer, Filipp N. Rybakov, Julien Garaud, Donjan Rodic, Egor Babaev, Matthias Troyer, Diana Car, Sébastien R. Plissard, Erik P.A.M. Bakkers, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Leo P. Kouwenhoven, "Spin-orbit protection of induced superconductivity in Majorana nanowires", arXiv:1807.01940 (2018), Phys. Rev. Lett. (2019).

相關焦點

  • Majorana費米子與拓撲量子計算(上)
    Majorana 費米子不帶電荷，所以超導體系中的電子和空穴疊加後的準粒子類似於Majorana 型粒子。通常的s 波超導體是自旋相反電子的配對，自旋的存在使得這樣的準粒子並不等同於其反粒子。為了「凍結」電子的自旋自由度，可以通過破壞其宇稱或者時間反演對稱性來解除能帶的自旋簡併，等效地得到「無自旋」的費米子。
  • 發當半導體納米線與超導體耦合時,可以被調諧到拓撲量子態!
    2020-12-13 10:31:11　來源: 物理 舉報 　　當半導體納米線與超導體耦合時
  • 張首晟團隊宣布發現天使粒子-神秘的Majorana費米子
    物理學中有一份表單，囊括了那些人類夢寐以求的神秘粒子，其中就有希格斯波色字，也就是最近在歐洲粒子加速器中被發現的「上帝粒子」，表單中還有引力子、磁單極、暗物質和Majorana費米子，相較其他粒子而言，Majorana費米子或許更加神秘。我們似乎生活在一個充滿正反對立的世界：有正數必有負數，有存款必有負債，有陰必有陽，有善必有惡，有天使必有惡魔。
  • 什麼是Majorana fermion?
    Majorana在1937年發現了另一組解在粒子物理裡面中微子(neutrino)可能是Majorana fermion，由於neutrino不帶電，幾乎不和其他粒子作用，所以很難驗證self-conjugate這一點。
  • 物理所一維拓撲超導體中的安德森無序轉變研究取得新進展
    拓撲物質態的研究是近年來物理學研究中的一個熱點。除了拓撲絕緣體之外，拓撲超導體也是一類備受關注的系統。與拓撲絕緣體類似，體內具有的超導能隙的拓撲超導體在邊界或表面上具有被拓撲保護的零能態。對於一維拓撲超導體，這些零能態是局域在邊界上的馬拉約那（Majorana）費米子態。
  • 半導體可以表現得像金屬,甚至像超導體一樣
    斯旺西/羅斯託克聯合研究小組的研究表明，半導體材料表面的晶體結構可以使其表現得像金屬，甚至像超導體一樣。這一發現潛在地為更節能的電子設備之類的發展打開了大門。半導體是電晶體、集成電路、傳感器和LED的有源部件，半導體材料主要基於矽，是當今電子工業的核心。我們日常生活中的電視機、計算機、照明元件以及行動電話中都使用了半導體產品。另一方面，金屬材料將有源電子組件連接起來，是各種設備器件的框架。
  • 半導體既能表現得像金屬又有超導體屬性 超高效電子設備不遠了?
    半導體既能表現得像金屬又有超導體屬性 超高效電子設備不遠了？，甚至像超導體。由斯旺西大學化學系和德國羅斯託克大學的克裡斯蒂安•克林克教授領導的研究小組分析了半導體材料表面的晶體。將膠體合成法應用於硫化鉛納米線，研究小組發現，組成晶體的鉛原子和硫原子可以以不同的方式排列。至關重要的是，他們發現這影響了材料的性能。在大多數配置中，這兩種類型的原子混合在一起，整個結構表現出半導體特性。
  • Bi2O2Se納米線中柵控的h/e周期磁阻振蕩
    但另一方面，這些材料也存在缺陷，它們缺少帶隙，在空氣中不穩定，要麼僅具有中等的電子遷移率。最近，一種新型的層狀半導體Bi2O2Se由於其卓越的電子性能如超高電子遷移率（在2K下約為2.8×105cm2/V·s），可調節的帶隙（約0.8eV）以及在空氣環境中的高度穩定性收到關注。
  • 基於半導體納米線雷射器的折射率感測
    其中的一個例子就是光折射率（RI）的測量，這也是許多液體加工工藝的一部分，如啤酒釀造、葡萄酒發酵、蜂蜜中含水量的評估以及烴蒸餾等。甚至在醫學上也有用途，因為癌細胞或異常細胞的RI值比正常細胞略高。問題在於，即使是如硬幣般大小的小型化RI傳感器也比許多應用大。這也正是密西根大學團隊希望通過使用由光源激發的納米線的雷射發射來改變的難題。
  • 物理所等提出一類基於鐵基非常規配對的拓撲超導體
    近年來，鐵基高溫超導體作為自賦性拓撲超導體，引起了科研人員的興趣。理論研究表明，鐵基高溫超導體是一個理想的實現Majorana零能模的體系；科研人員在多個鐵基材料表面觀測到Majorana零能模，揭開了在鐵基超導體系中探尋Majorana零能模的序幕，這使鐵基超導體可能成為拓撲計算的載體。但目前的研究與鐵基超導態最根本的性質——非常規電子配對，沒有直接聯繫。
  • 中考物理知識點:半導體和超導體
    中考物理知識點：半導體和超導體 　　①半導體定義：導電性能在導體和絕緣體之間。應用：二極體。三極體，晶片等典型的半導體材料有鍺和矽。 　　②超導體定義：電阻為零的導體（金屬導體溫度降低到一定程度電阻為零）應用：線圈，輸電導線（電褥子的電阻絲不可以是超導體） 相關推薦:中考物理知識點：探究影響電阻大小的因素 點擊查看更多信息 新初三快掃碼關注
  • 科學家成功研發出直徑僅數十納米的半導體材料納米線
    該技術的研發團隊展示了幾種原子級尺寸的，採用不同的矽鍺材料製成的分層結構納米線，這種納米線可以有效地傳輸電荷。研發人員展示的這種納米線其接口尺寸可以做到僅有一個原子大小，而過去，阻礙人們製作超小尺寸納米線的障礙主要是有關技術的解析度不足。
  • 美研製出奇特的拓撲超導體材料
    實驗中，為了評價新晶體材料的性能，研究人員利用X光譜進行分析，通過研究X射線轟擊出來的單個電子來確定晶體的真實屬性，測試發現生成的是一種拓撲超導體。研究人員進一步在晶體的表面發現了不同尋常的電子，其表現得像輕子。由於哈桑小組去年曾經第一次直接觀察到了一種被稱為螺旋狀狄拉克費米子的電子，此時他們立刻認出了這種電子就是科學家長期尋找的馬拉約那費米子（Majorana fermions）。
  • 復旦大學在超分子組裝合成新型半導體納米線氣敏材料研究取得進展
    超分子組裝在自然界和生命體系中廣泛存在。科學家師法自然，藉助各種非共價鍵作用和超分子組裝仿生合成了大量具有新穎結構和獨特性能的自組裝納米材料。作為一類重要的納米結構材料，半導體納米線（semiconductor nanowires）因其獨特的電學、光學、熱學以及電化學特性日益成為國際納米科學領域的前沿研究課題。
  • 實驗發現重費米子金屬UTe2為手性自旋三重態超導體
    利用Madhavan教授小組的高分辨掃描隧道顯微鏡（STM），他們得以一窺新型非常規超導態UTe2中暗藏的玄機。他們的研究也指明了UTe2是既是尋找已久的手性超導體，也是一種奇異準粒子的天然載體，而物理學家們已經為此搜尋了幾十年。相關研究結果已經發表在三月26日出版的Nature雜誌上。非常規超導體UTe2的表面，奇異的Majorana費米子沿相反的臺階朝相反方向運動的示意圖。
  • 新的測量結果揭示了新發現的超導體中難以捉摸的粒子的證據
    對於研究固體的物理學家來說，這種遊戲發生在截然不同的環境中，而受歡迎的粒子並非來自激烈的碰撞。相反，稱為準粒子的類粒子實體是從發生在材料深處的複雜電子相互作用中產生的。有時，準粒子很容易探測，而另一些則更難發現，潛伏在遙不可及的地方。
  • 在銻化物納米線研究中取得系列進展
    納米砂磨機訊：在銻化物納米線研究中取得系列進展 納米砂磨機訊：III-V族半導體納米線憑藉其獨特的準一維結構和物理特性在納米電晶體、納米傳感器和納米光電探測器等方面有著重要潛在應用，是當前國際研究的熱點。