物理學院廖志敏課題組在拓撲超導相變研究中取得進展

近日，北京大學物理學院廖志敏教授課題組與荷蘭屯特大學李川助理教授、南方科技大學俞大鵬院士等合作，在《物理評論快報》上發表題為「Topological Transition of Superconductivity in Dirac Semimetal Nanowire Josephson Junctions」的研究論文【Physical Review Letters 126, 027001 (2021)】，該工作實現了狄拉克半金屬納米線約瑟夫森結中拓撲超導相變的柵壓調控。

隨著人類社會全面進入信息技術時代，無論是日常生活還是科學研究對計算機的算力要求越來越高。利用量子力學原理構建的量子計算機能夠顯著提高計算算力，將為信息高效處理提供一種更優質的平臺。然而，構建通用量子計算機目前還存在許多技術問題，比如退相干：多個量子比特的糾纏極易受到環境噪聲的破壞，導致保真度降低，計算錯誤機率增加。拓撲量子計算提供了一種退相干免疫的量子計算方式，拓撲量子比特在編碼過程中可免於環境噪聲的幹擾，計算保真度大大提高。理論表明，馬約拉納零能模滿足非阿貝爾任意子統計規律，是實現拓撲量子計算的最主要路徑之一。而如何精準調控馬約拉納零能模的產生和消失是當前拓撲量子計算領域面臨的一個重要挑戰。

面對上述挑戰，該科研團隊長期開展了相關研究工作。近期，他們在狄拉克半金屬納米線體系中首次實現了馬約拉納零能模的門電壓調控。通過調節門電壓，控制納米線表面量子限制效應的出現和消失，進而調控體系的拓撲性質。由於該體系中電子的平均自由程遠大於空穴的平均自由程，當調節門電壓使得體系由電子導電進入空穴導電時，納米線表面由量子限制效應導致的子能帶能隙會逐漸消失，出現拓撲非平庸的狄拉克型能帶。基於這種門電壓調控的拓撲相變，將s波超導體與納米線近鄰，可實現門電壓調控的拓撲超導相變，同時伴隨著馬約拉納零能模的產生和消失。與傳統的半導體-超導體近鄰體系相比，這種在狄拉克半金屬納米線中實現的馬約拉納零能模的門電壓調控方法具有多重優勢。該系統中馬約拉納零能模的產生不需要額外加磁場，這樣用來近鄰的超導體種類就大大增加；同時這裡馬約拉納零能模可以在較大的門電壓範圍內穩定存在，不需要參數的精準調製，有利於將來實現規模化的拓撲量子比特。

納米線約瑟夫森結中場效應調控拓撲相變示意圖

這項工作展示了狄拉克半金屬納米線中拓撲超導相變的門電壓調控，同時也為馬約拉納零能模以及拓撲量子比特的操縱提供了新思路。

南方科技大學博士後李彩珍與北京大學前沿交叉學科研究院博士研究生王安琦是文章的共同第一作者。廖志敏與李川為文章的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京大學人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心等的支持。