Riassunto:

I nanofili di Majorana, quasiparticelle esotiche che si prevede emergano in alcune strutture ibride semiconduttore-superconduttore, rappresentano un’immensa promessa per la realizzazione del calcolo quantistico topologico. Tuttavia, la loro realizzazione sperimentale rimane impegnativa a causa di vari meccanismi di decoerenza che possono distruggere i loro fragili stati quantistici. Tra queste fonti di decoerenza, l'interazione spin-orbita (SOI) è particolarmente rilevante in quanto può mescolare i gradi di libertà di spin e carica dei modi Majorana.

In questo studio, indaghiamo l'impatto del SOI sulla robustezza dei nanofili di Majorana. Costruiamo un modello teorico che cattura l'interazione tra SOI, superconduttività e disordine e analizziamo il diagramma di fase topologico risultante. I nostri risultati rivelano che la SOI può effettivamente essere dannosa per lo stato di Majorana, ma solo in condizioni specifiche. In particolare, identifichiamo un regime di parametri in cui il SOI svolge un ruolo protettivo, stabilizzando lo stato di Majorana contro alcuni tipi di disturbo.

Forniamo approfondimenti fisici su questo fenomeno analizzando i meccanismi microscopici sottostanti. Mostriamo che la SOI può indurre un campo magnetico efficace che contrasta gli effetti dannosi del disordine, preservando le proprietà topologiche del nanofilo di Majorana. I nostri risultati fanno luce sulla complessa interazione tra SOI e altre fonti di decoerenza nei nanofili di Majorana e offrono linee guida per ottimizzare la progettazione e la fabbricazione di questi promettenti sistemi quantistici topologici.

Introduzione:

I fermioni di Majorana sono quasiparticelle che obbediscono alla statistica non abeliana, il che li rende candidati promettenti per la realizzazione del calcolo quantistico topologico. Una piattaforma promettente per la realizzazione dei fermioni di Majorana sono i nanofili ibridi semiconduttore-superconduttore, dove l'interazione della superconduttività e la forte interazione spin-orbita possono dare origine alla formazione di stati legati di Majorana alle estremità del filo.

Tuttavia, la realizzazione sperimentale dei nanofili di Majorana deve affrontare diverse sfide, una delle quali è l’effetto dannoso del disordine. Il disordine può introdurre variazioni locali nella superconduttività e nell’interazione spin-orbita, che possono alterare le proprietà topologiche degli stati di Majorana. Comprendere l'impatto del disordine sui nanofili di Majorana è quindi fondamentale per la loro riuscita realizzazione.

Modello teorico:

Per studiare l'impatto del disordine sui nanofili di Majorana, costruiamo un modello teorico basato sul formalismo di Bogoliubov-de Gennes (BdG). L'Hamiltoniana BdG include termini per l'accoppiamento superconduttore, l'interazione spin-orbita e il potenziale disordinato. Consideriamo un nanofilo disordinato con un gap superconduttore fluttuante in modo casuale e una forza di interazione spin-orbita.

Diagramma di fase topologico:

Analizziamo le proprietà topologiche del nanofilo di Majorana calcolando l'invariante topologico, che distingue tra fasi topologicamente banali e non banali. Il diagramma di fase topologico, ottenuto variando la forza del disordine e la forza dell'interazione spin-orbita, rivela le condizioni in cui lo stato di Majorana è stabile.

Ruolo di protezione dell'interazione rotazione-orbita:

I nostri risultati dimostrano che l’interazione spin-orbita può svolgere un ruolo protettivo nella stabilizzazione dello stato di Majorana contro alcuni tipi di disturbi. In particolare, identifichiamo un regime parametrico in cui lo stato di Majorana rimane topologicamente protetto anche in presenza di forte disordine. Questo effetto protettivo deriva dall’interazione tra l’interazione spin-orbita e il disordine, che induce un campo magnetico efficace che contrasta gli effetti dannosi del disordine.

Conclusione:

In conclusione, il nostro studio chiarisce la complessa interazione tra interazione spin-orbita e disordine nei nanofili di Majorana. Identifichiamo un regime di parametri in cui l'interazione spin-orbita può stabilizzare lo stato di Majorana contro determinati tipi di disordine, fornendo preziose informazioni per ottimizzare la progettazione e la fabbricazione di questi promettenti sistemi quantistici topologici. I nostri risultati possono contribuire agli sforzi in corso verso la realizzazione di nanofili Majorana per il calcolo quantistico topologico.