Majorana准粒子与超导体-半导体异质纳米线

Majorana准粒子是凝聚态物理版本的Majorana费米子.由于Majorana准粒子间的交换操作服从非阿贝尔统计,并基于此可构建更稳定的量子计算机,近年来在凝聚态物理界引起广泛关注.为帮助初学者快速理解Majorana准粒子的形成机理,本文回顾了在一维超导体-半导体异质纳米线系统中Majorana准粒子模型的提出和理论演化过程,介绍Kitaev链模型并分析了模型中各要素所起的作用.还介绍了典型Majorana器件的构成和测量方法,并结合最新的实验进展对探测到的零能电导峰进行了分析和述评.最后对超越一维系统的超导体-半导体异质系统的实验前景进行了展望.     

Majorana费米子的研究进展

Majorana费米子因反粒子是其本身且没有电矩和磁矩等性质而广受关注,其具有的可容错性在量子计算方面起着关键作用,能极大地提高计算机的存储能力,因而Majorana费米子成为国内外凝聚态物理界的研究热点。本文着重研究并整理Majorana费米子迄今为止的热点研究方向和相应研究进展,包括对约瑟夫森效应、量子点结构效应、Andreev反射以及Fano效应等理论模型的介绍,并对比多个相关实验的特点进行总结分析。     

在人工拓扑超导体磁通涡旋中寻找Majorana零能模

寻找具有拓扑序的新物质态是目前一个非常活跃和令人激动的研究领域.与拓扑绝缘体类似,在超导体中也存在着拓扑非平庸的超导态,它与传统的超导体在拓扑性上是不等价的,这种具有非平庸拓扑序的超导体被称为拓扑超导体.拓扑超导体在体内具有非零的超导能隙,而在表面有无能隙的表面态.理论预言在拓扑超导体中能够实现具有非Abelian统计特性的Majorana费米子. Majorana费米子可以用来构建拓扑量子比特,在拓扑量子计算方面有重大的科研和应用前景.拓扑绝缘体的出现催生出了许多人工拓扑超导体材料.本专题将主要介绍在拓扑绝缘体/超导体异质结中探测Majorana费米子的一系列实验工作.通过对拓扑超导体的研究,人们对超导电性有了全新的认识,有可能找到实现Majorana费米子新奇量子物理性质的方法.     

马约拉纳零能模的非阿贝尔统计及其在拓扑量子计算的应用

自1937年被预言以来,马约拉纳费米子在粒子物理领域和暗物质领域就广受关注.它们在凝聚态物理中的"副本",马约拉纳零能模(Majorana zero mode, MZM),被指出可以通过拓扑超导实现,并由于满足非阿贝尔统计及可以用来实现容错的量子计算机而成为凝聚态领域最受关注的研究方向之一.尤其在近二十年中,马约拉纳零能模在理论和实验方面均取得了诸多重要进展,一些综述文章对此做了较详细介绍.本文将会重点回顾MZM的非阿贝尔统计性质以及它们在量子计算中的应用.文章的第一部分首先简单介绍了凝聚态系统中MZM的理论发展并概述了在人工异质结体系中寻找MZM的最新理论和实验进展.然后介绍了MZM非阿贝尔统计的基本概念,并讨论这一性质怎样应用到量子计算中.接下来重点讨论了利用MZM平台实现量子计算机的两个关键步骤:MZM非阿贝尔编织操作的实验实现方案和MZM量子比特的读取.在这一部分里,本文分别详细列举了现有的比较受关注的实现MZM编织操作和量子比特的读取实验装置.最后,文章介绍了在对称性保护的拓扑超导系统中实现马约拉纳的对称保护非阿贝尔统计的可能性.     

Dirac光子晶体

Dirac费米子作为粒子物理中的基本粒子之一,其理论在近年来蓬勃发展的拓扑电子理论领域中被广泛提及并用来刻画具有Dirac费米子性质的电子态.这种特殊的能态通常被称为Dirac点,在能谱上表现为两条不同能带之间的线性交叉点.由于Dirac点往往是发生拓扑相变的转变点,因而也被视为实现各种拓扑态的重要母态.作为可与拓扑电子体系类比的拓扑光子晶体因其独特的潜在应用价值也受到人们的广泛关注,实现包含Dirac点的光子能带已成为研究拓扑光子晶体的核心课题.本文基于电子的拓扑理论,简要地回顾了Dirac点在光子系统中的研究进展,特别介绍了如何在光子晶体中利用不同晶格对称性实现在高对称点/线上的Dirac点,以及由Dirac点衍生的Weyl点.     

手征马约拉纳费米子

手征马约拉纳费米子是具有手性的无质量费米子,是其本身的反粒子,只能存在于1+1维(即1维空间+1维时间)或者9+1维.在凝聚态物理中, 1维手征马约拉纳费米子可看成1/2分数化的狄拉克费米子,并作为二维拓扑态的边缘元激发.奇数个手征马约拉纳费米子边缘态的存在也预示着体系中存在满足非阿贝尔量子统计的伊辛任意子.手征马约拉纳费米子也可进行非阿贝尔编织,理论上可用来实现容错量子计算,因此近年来在凝聚态物理研究中引起了广泛的兴趣.本文从二维拓扑态出发,介绍手征拓扑超导态和量子反常霍尔态之间的深刻联系,并由此得出量子反常霍尔平台转变与超导近邻实现手征马约拉纳费米子的方案,最后以单通道手征马约拉纳费米子为例,探讨其实现电子态的非阿贝尓量子门.     

拓扑超导Majorana束缚态的探索

Majorana束缚态具有非阿贝尔量子统计特性,是极具潜力的拓扑量子计算方案的核心.近期有多项实验研究提供了Majorana束缚态在某些超导体系中的存在证据,使其成为近期凝聚态物理以及量子计算领域的前沿焦点之一.本文介绍拓扑超导的机理、Majorana束缚态的新奇物理特性、实验观测和操作的方法以及相关量子器件的设计,最后展望该研究方向的发展前景.     

二维高温超导体中马约拉纳零能模证据的发现

正1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)发现描述费米子基本运动的狄拉克方程在特定系数下可以给出实数波动方程解(可改写为马约拉纳方程),以此预言了一种不带电荷且反粒子是其自身的神奇费米子——马约拉纳费米子(Majorana fermion)~([1])。此后80多年来,无数物理学家一直致力于寻找这类神秘莫测的马约拉纳费米子。在粒子物理领域,不带电的中微子被认为很可能是马约拉纳费米子,但至今仍未有定论。而在凝聚态物质中,预测也存在着符合马约     

双量子点结构中Majorana费米子的噪声特性

Majorana费米子是其自身的反粒子, 在拓扑量子计算中有着重要的应用. 利用粒子数表象下的量子主方程方法, 研究双量子点与Majorana费米子混合结构的电子输运特性, 特别是散粒噪声. 有无Majorana费米子耦合的电流与散粒噪声存在明显差别: 有Majorana费米子耦合时稳态电流差呈反对称, 噪声谱呈现相干振荡并且低频噪声显著增强. 量子点与Majorana费米子对称弱耦合时, 零频噪声由"峰"变为"谷", 并且"边谷"展宽逐渐减小; 当对称强耦合时, 零频噪声的谷深增加, "边谷"向高频端移动. 改变系统与电极的耦合强度时, 零频噪声由谷变成峰. 因此, 稳态电流结合散粒噪声可以探测双量子点结构中Majorana费米子是否存在.     

拓扑量子材料光电探测器研究进展

物质拓扑态的发现是近年来凝聚态物理和材料科学的重大突破。由于存在不同于常规半导体的特殊拓扑量子态(如狄拉克费米子、外尔费米子、马约拉纳费米子等),拓扑量子材料通常能表现出一些新颖的物理特性(如量子反常霍尔效应、三维量子霍尔效应、零带隙的拓扑态、超高的载流子迁移率等),因而在低能耗电子器件和宽光谱光电探测器件领域具有重要的研究价值。本文综述了拓扑量子材料的特性与制备方法以及在光电探测领域的发展现状,重点讨论了拓扑绝缘体与拓扑半金属宽光谱光电探测器的器件结构与性能,同时也对拓扑量子材料在光电探测器领域的发展前景进行了展望。     

人工带隙材料的拓扑性质

近年来,人工带隙材料(如声子晶体和光子晶体)由于其优异的性能,已成为新一代智能材料的研究焦点.另一方面,材料拓扑学由凝聚态物理领域逐渐延伸到其他粒子或准粒子系统,而研究人工带隙材料的拓扑性质更是受到人们的广泛关注,其特有的鲁棒边界态,具有缺陷免疫、背散射抑制和自旋轨道锁定的传输等特性,潜在应用前景巨大.本文简要介绍拓扑材料特有的鲁棒边界态的物理图像及其物理意义,并列举诸如光/声量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体等相关工作;利用Dirac方程,从原理上分析光/声拓扑性质的由来;最后对相关领域的发展方向和应用前景进行了相应的讨论.     

封面故事

铁基超导体与拓扑绝缘体是当前凝聚态物理研究的热点。铁基超导体是非常规超导体,不同于传统的电声耦合机制的BCS超导体,其超导配对机制的解释仍然是凝聚态物理理论的一个难点。在拓扑绝缘体这类材料中,由于能带的反转,体态仍然保持绝缘态,但是在表面或者边界上存在着导电的金属态。超导体与拓扑绝缘体的结合被认为是实现拓扑超导体和Majorana费米子的一个非常有希望     

Bi(110)薄膜在NbSe_2衬底上的扫描隧道显微镜研究

二维拓扑绝缘体因其特殊的能带结构带来的新奇物理性质,成为近年来凝聚态物理的研究热点.尤其是在引入超导电性之后,二维拓扑绝缘体中可能存在马约拉纳费米子(Majorana fermion),因此在量子计算方面具有重大应用前景.在Bi(111)薄膜被证实为二维拓扑绝缘体之后, Bi(110)薄膜引起了广泛关注,然而其拓扑性质还存在争议.本文利用分子束外延技术在室温低生长速率环境下成功制备出了高质量的单晶Bi(110)薄膜.通过扫描隧道显微镜测量发现,薄膜以约8个原子层厚度为分界,从双层生长转变为单层生长模式.结合隧道谱测量发现,在NbSe_2衬底上生长的Bi(110)薄膜因为近邻效应而具有明显的超导性质,但并未显示出拓扑边缘态的存在.此外,对薄膜中特殊的量子阱态现象也进行了讨论.     

纳米线中Majorana费米子的证据

在2012年6月出版的Physics Today杂志上,资深编辑MarkWilson撰文回顾了在凝聚态体系中探索Majorana费米子的历程,其中特别介绍了荷兰Delft理工大学的Leo Kouwenhoven研究组最近在InSb纳米线中发现Majorana费米子踪迹的实验．现摘译如下：     

电子型FeSe基高温超导体的磁通束缚态与Majorana零能模

作为凝聚态物理中一类新奇准粒子态,Majorana零能模(Majorana zero mode)由于可用来实现拓扑量子计算而成为当前的研究热点.理论预言,Majorana零能模可作为特殊的束缚态出现在一些拓扑超导体的磁通涡旋中.但实际超导体磁通中还可能存在其他低能束缚态或杂质态,这给Majorana零能模的辨别和具体应用带来了困难.目前实验上寻找合适的拓扑超导体系、分辨出清晰的Majorana零能模仍然是十分迫切的.本文主要介绍最近利用高能量分辨的扫描隧道显微镜,对电子掺杂铁硒类超导体(Li,Fe)OHFeSe和单层FeSe/SrTiO3磁通态进行的研究.实验上在前者的自由磁通中观测到清晰的零能模,并进一步测量到Majorana零能模的重要特征—量子化电导.而在后者磁通中只发现常规Caroli-de Gennes-Matricon(CdGM)束缚态,反映出s波对称性的特征.这系列实验既为Majorana零能模物性的进一步研究提供了合适平台,也为澄清铁基超导体中拓扑超导电性的来源提供了线索.     

拓扑超导中的Majorana费米子约瑟夫振荡模型

构造一个简易的模型描述拓扑超导相中Majorana费米子的约瑟夫振荡,与平庸相中的约瑟夫振荡相比,周期增大一倍.其本质的原因是由于拓扑超导相中发生量子隧穿的Majorana费米子对的电量为e,而平庸相中量子隧穿的库珀对的电量为2e。     

编织拓扑物态中神奇的准粒子

2012年7月出版的Physics Today杂志刊登了耶鲁大学Nicholas Read教授撰写的《拓扑物态和准粒子编织》一文.文章深入浅出地介绍了拓扑物态的基本性质,准粒子交换和非阿贝尔统计,拓扑物态的物理实现及其在拓扑量子计算中的潜在应用.下面摘译其中的主要内容.     

拓扑声子与声子霍尔效应

拓扑学与物理的结合是近几十年物理学蓬勃发展的一个新领域,它不仅活跃在量子场理论以及高能物理中,更广泛地存在于凝聚态物理体系中,包括量子(反常、自旋)霍尔效应和拓扑绝缘体(超导体)等.声子是凝聚态体系中热输运的主要载体;最近由于各种声子器件的发现,声子学得到了广泛的关注.本文介绍了声子的拓扑性质以及声子的霍尔效应现象,分别评述了在破坏时间反演对称、破坏空间反演对称、以及同时破坏时间和空间反演对称三种情况下所产生的声子霍尔效应、声子谷霍尔效应等相关物理研究进展.最后对拓扑学在其他声学体系中的应用做了简单介绍,并进一步讨论了其未来的发展方向.     

从高质量半导体/超导体纳米线到马约拉纳零能模

作为马约拉纳费米子的“凝聚态版本”,马约拉纳零能模是当前凝聚态物理领域的研究热点.马约拉纳零能模满足非阿贝尔统计,可以构建受拓扑保护的量子比特.这种由空间上分离的马约拉纳零能模构建的拓扑量子比特不易受局域噪声的干扰,具有长的退相干时间,在容错量子计算中具有重要的应用前景.半导体/超导体纳米线是研究马约拉纳零能模和拓扑量子计算的理想实验平台.本文综述了高质量半导体纳米线外延生长、半导体/超导体异质结制备以及相应的马约拉纳零能模研究方面的进展,并对半导体/超导体纳米线在量子计算中的应用前景进行了展望.     

Kitaev模型与拓扑量子相变

文章通过在一种准一维路径上引入自旋算符的约当-维格纳（Jordan—Wigner）变换，证明了Kitaev自旋模型完全等价于一个不含任何非物理自由度的自由Majorana费米子模型。通过对偶变换，进一步证明了这个系统中存在的量子相变可用非定域的拓扑序参量来描述；并且，这些非定域的拓扑序参量在对偶空间变成为定域的朗道类型的序参量。文章作者的工作揭示了传统的量子相变和拓扑量子相变的内在关系，扩展了朗道二级相变理论的适用范围。