一維量子納米線為馬約拉納零模提供了肥沃的土壤

量子點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)(左) ，其中應(yīng)用電壓收縮電子運(yùn)動(dòng)到一維，電導(dǎo)(右)顯示應(yīng)用磁場(chǎng)的效果(紅) 。來(lái)源:新南威爾士大學(xué)

為什么研究一維量子納米線的自旋特性很重要?

量子納米線——只有長(zhǎng)度
 ，但沒(méi)有寬度和高度——為一種被稱為馬約拉納零模的準(zhǔn)粒子的形成和探測(cè)提供了獨(dú)特的環(huán)境
。

unsw領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究克服了此前探測(cè)Majorana零模式的困難 ，并顯著提高了設(shè)備的再現(xiàn)性。

馬約拉納零模的潛在應(yīng)用包括抗故障拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)和拓?fù)涑瑢?dǎo) 。

一維導(dǎo)線中的馬約拉納費(fèi)米子

馬約拉納費(fèi)米子是一種復(fù)合粒子 ，也是它自己的反粒子 。

這種不同尋常的粒子在學(xué)術(shù)上和商業(yè)上的興趣來(lái)自于它們?cè)谕負(fù)淞孔佑?jì)算機(jī)中的潛在應(yīng)用，預(yù)計(jì)這種計(jì)算機(jī)不會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)化珍貴量子信息的消相干
 。

馬約拉納零?？梢栽谟商厥獠牧现瞥傻牧孔泳€中產(chǎn)生，這些材料的電磁特性之間存在很強(qiáng)的耦合 。

特別是 ，當(dāng)一維半導(dǎo)體(如半導(dǎo)體納米線)與超導(dǎo)體耦合時(shí) 
，可以產(chǎn)生馬約拉納零模 。

在一維納米線中，垂直于長(zhǎng)度的尺寸非常小，不允許亞原子粒子的任何運(yùn)動(dòng)，量子效應(yīng)占主導(dǎo)地位 。

反物質(zhì)解釋者:每個(gè)基本粒子都有一個(gè)相應(yīng)的反物質(zhì)粒子 ，具有相同的質(zhì)量但相反的電荷。例如 ，一個(gè)電子(電荷-1)的反粒子是一個(gè)正電子(電荷+1) 。信貸:新南威爾士大學(xué)

探測(cè)必要的自旋軌道間隙的新方法

具有強(qiáng)自旋軌道相互作用的一維半導(dǎo)體系統(tǒng)在拓?fù)淞孔佑?jì)算中具有廣闊的應(yīng)用前景，引起了人們的廣泛關(guān)注。

電子的磁性“自旋”就像一個(gè)小條形磁鐵
，它的方向可以通過(guò)外加磁場(chǎng)來(lái)確定 。

在具有“自旋-軌道相互作用”的材料中 ，電子的自旋是由運(yùn)動(dòng)方向決定的 ，即使在零磁場(chǎng)下也是如此 。這允許對(duì)磁性量子特性的所有電操縱。

在這樣的系統(tǒng)上施加磁場(chǎng)可以打開一個(gè)能隙 ，這樣向前移動(dòng)的電子都有相同的自旋極化  ，向后移動(dòng)的電子有相反的極化
。這種“自旋間隙”是馬約拉納零模形成的先決條件。

盡管進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)工作，但事實(shí)證明
，要明確地檢測(cè)出半導(dǎo)體納米線中的自旋隙是極其困難的 ，因?yàn)樽孕兜奶卣魈卣?當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí) ，其導(dǎo)電性平臺(tái)下降)與納米線中不可避免的背景無(wú)序是很難區(qū)分的。

這項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)了自旋軌道間隙的一個(gè)新的、明確的特征，它不受困擾先前研究的無(wú)序效應(yīng)的影響 。

“這個(gè)特征將成為未來(lái)檢測(cè)自旋缺口的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，”主要作者Karina Hudson博士說(shuō)。

馬約拉納費(fèi)米子是它們自己的反粒子，自1937年就建立了理論 ，但直到最近十年才通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到。馬約拉納費(fèi)米子對(duì)退相干的“免疫力”為容錯(cuò)量子計(jì)算提供了潛在用途。信貸:新南威爾士大學(xué)

再現(xiàn)性

由于容納MZM的自組裝納米線存在隨機(jī)無(wú)序和不完美
 ，在可擴(kuò)展量子計(jì)算機(jī)中使用馬約拉納零模面臨著額外的挑戰(zhàn)
。

以前幾乎不可能制造出可復(fù)制的設(shè)備，只有大約10%的設(shè)備在預(yù)期參數(shù)內(nèi)工作 。

最新的UNSW結(jié)果顯示了顯著的改進(jìn) ，基于三個(gè)不同的起始晶圓的六個(gè)設(shè)備的可重復(fù)結(jié)果。

通訊作者亞歷克斯·漢密爾頓教授表示:“這項(xiàng)工作為制造完全可復(fù)制的設(shè)備開辟了一條新途徑?！?/p>

《量子點(diǎn)接觸中自旋間隙的新特征》于2021年1月發(fā)表在《自然通訊》雜志上 。

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