Processo di trasporto di modalità chirali Majorana edge nel sistema quantistico anomalo di Hall insulator (QAHI)-superconduttore topologico (TSC) con un flusso magnetico. Le frecce nere solide etichettano le modalità del bordo QAHI e le frecce rosse solide indicano le modalità del bordo chirale Majorana. Una modalità edge QAHI è topologicamente equivalente a due modalità edge chirali Majorana. La linea tratteggiata nera indica una linea di giunzione Josephson. Credito:Science China Press
Il fermione di Majorana, una particella che è la sua antiparticella, fu originariamente introdotto come particella elementare putativa da Ettore Majorana nel 1937, e il fermione chirale di Majorana è stato osservato sperimentalmente nei superconduttori topologici nel 2017. Poiché il fermione di Majorana è una particella a carica neutra, l'effetto diretto sui fermioni di Majorana dei metodi elettromagnetici dovrebbe fallire. Ora, i ricercatori hanno proposto uno schema per controllare il trasporto dei modi di bordo chirali Majorana in una giunzione Josephson a forma di anello di un superconduttore topologico utilizzando il flusso magnetico.
Eccitazioni esotiche con caratteristiche di fermioni di Majorana nei sistemi di materia condensata stanno attirando un interesse diffuso a causa delle loro statistiche di intrecciatura non abeliana con possibili applicazioni nel calcolo quantistico topologico. I superconduttori topologici forniscono un terreno fertile che supporta queste eccitazioni di Majorana ai loro bordi e ai difetti topologici. Le proposte teoriche mostrano che una superconduttività così esotica può essere realizzata portando alcune questioni topologiche in prossimità di un superconduttore a onde s. Nel 2017, il gruppo guidato dal Prof. Wang dell'Università della California, Los Angeles, realizzato il superconduttore topologico chirale accoppiando un isolante di Hall anomalo quantistico con un superconduttore a onda s e osservando un plateau di conduttanza semiintero, che fornisce una probabile firma di fermioni chirali di Majorana.
Per sfruttare ulteriormente l'applicazione pratica dei fermioni di Majorana in dispositivi realistici, è fondamentale controllare e manipolare le eccitazioni di Majorana nei sistemi di materia condensata. Considerando che il fermione di Majorana è una particella a carica neutra, l'effetto diretto sui fermioni di Majorana con metodi elettrici o magnetici dovrebbe fallire. Uno studio recente ha proposto un metodo magnetico per controllare il trasporto di fermioni chirali di Majorana nei superconduttori topologici.
Il relativo documento di ricerca, intitolato "Controllo del flusso magnetico di modalità chirali Majorana edge in superconduttore topologico, " è stato pubblicato in SCIENZA CINA-Fisica, Meccanica e Astronomia , volume 61, 2018. Il lavoro di ricerca è stato completato dal dottorato di ricerca. studenti Zhou, Hou, Lv e il prof. Sun e il prof. Xie, Scuola di Fisica, Università di Pechino.
I ricercatori hanno studiato il trasporto di modalità chirali di bordo Majorana in un sistema ibrido di superconduttore topologico di Hall anomalo quantistico in cui la regione topologica del superconduttore contiene una giunzione Josephson e una cavità, come mostrato in Fig.1. La giunzione Josephson subisce una transizione topologica quando il flusso magnetico attraverso la cavità passa attraverso multipli semiinteri del quanto di flusso magnetico. Per la fase non banale, nella cavità compare uno stato di Majorana a energia zero, mentre svanisce per la fase banale. Con l'aiuto del tunneling risonante tra lo stato zero di Majorana e i modi chirali di Majorana che circondano il perimetro esterno del superconduttore topologico, la direzione di trasporto dei bordi chirali Majorana può essere modificata come indicato dalle frecce tratteggiate in Fig.1. Questo risultato suggerisce un metodo magnetico per controllare i fermioni chirali di Majorana.
Un'ulteriore analisi mostra che in questo sistema possono essere identificati tre diversi modelli di trasporto per una coppia di fermioni chirali di Majorana in arrivo:(a) entrambi sono totalmente riflessi indietro; (b) entrambi sono trasmessi a un altro capofila; (c) uno di essi viene riflesso e un altro viene trasmesso a un altro conduttore. Il modello di trasporto può essere commutato modificando la dimensione della regione topologica del superconduttore e il flusso magnetico.
"Questi risultati possono fornire uno schema fattibile per controllare il trasporto di fermioni chirali di Majorana utilizzando il campo magnetico, " hanno spiegato i ricercatori, "e avere potenziali applicazioni per intrecciare gli stati di Majorana".
