Majorana fermion, en partikel som är sin egen antipartikel, introducerades ursprungligen som en förmodad elementarpartikel av Ettore Majorana 1937, och den chirala Majorana-fermionen observerades experimentellt i topologiska supraledare 2017. Eftersom Majorana-fermionen är en laddningsneutral partikel, den direkta effekten på Majorana-fermioner med elektromagnetiska metoder borde misslyckas. Nu, forskare har föreslagit ett schema för att kontrollera transporten av chirala Majorana-kantlägen i en ringformad Josephson-övergång mellan en topologisk supraledare med hjälp av magnetiskt flöde.

Exotiska excitationer med egenskaper hos Majorana-fermioner i system med kondenserad materia tilldrar sig brett intresse på grund av deras icke-abeliska flätningsstatistik med möjliga tillämpningar i topologisk kvantberäkning. Topologiska supraledare ger en bördig mark som stöder dessa Majorana-excitationer vid deras kanter och vid topologiska defekter. Teoretiska förslag visar att en sådan exotisk supraledning kan realiseras genom att föra vissa topologiska frågor i närheten av en s-vågssupraledare. Under 2017, gruppen ledd av prof. Wang vid University of California, Los Angeles, realiserade den kirala topologiska supraledaren genom att koppla en kvantanomal Hall-isolator med en s-vågssupraledare och observerade en halvheltals konduktansplatå, vilket ger en trolig signatur av chirala Majorana-fermioner.

För att ytterligare utnyttja den praktiska tillämpningen av Majorana-fermioner i realistiska enheter, det är avgörande att kontrollera och manipulera Majorana-excitationer i system med kondenserad materia. Med tanke på att Majorana fermion är en laddningsneutral partikel, den direkta effekten på Majorana-fermioner med elektriska eller magnetiska metoder bör misslyckas. En nyligen genomförd studie föreslog en magnetisk metod för att kontrollera transporten av chirala Majorana-fermioner i topologiska supraledare.

Den relaterade forskningsartikeln, med titeln "Magnetisk flödeskontroll av kirala Majorana-kantlägen i topologisk supraledare, " publicerades i SCIENCE KINA-Fysik, Mekanik och astronomi , volym 61, 2018. Forskningsarbetet avslutades av Ph.D. studenter Zhou, Hou, Lv och Prof. Sun och Prof. Xie, Skolan för fysik, Pekings universitet.

Forskarna studerade transporten av chirala Majorana-kantlägen i ett hybridkvantanomalt Hall-isolator-topologiskt supraledarsystem där den topologiska supraledarregionen innehåller en Josephson-övergång och en kavitet som visas i Fig.1. Josephson-övergången genomgår en topologisk övergång när det magnetiska flödet genom kaviteten passerar genom halvheltalsmultiplar av magnetiskt flödeskvantum. För den icke-triviala fasen, ett nollenergitillstånd Majorana uppträder i håligheten, medan det försvinner för trivial fas. Med hjälp av resonanstunneln mellan Majorana-tillståndet noll och de chirala Majorana-kantlägena som omger den yttre omkretsen av topologisk supraledare, transportriktningen för de chirala Majorana-kanterna kan ändras enligt streckade pilar i Fig.1. Detta resultat föreslår en magnetisk metod för att kontrollera de chirala Majorana-fermionerna.

Ytterligare analys visar att tre olika transportmönster kan identifieras för ett par inkommande chirala Majorana-fermioner i detta system:(a) båda reflekteras totalt tillbaka; (b) båda överförs till en annan ledning; (c) en av dem reflekteras tillbaka och en annan överförs till en annan avledning. Transportmönstret kan ändras genom att ändra storleken på det topologiska supraledarområdet och det magnetiska flödet.

"Dessa fynd kan ge ett genomförbart schema för att kontrollera transporten av chirala Majorana-fermioner genom att använda magnetfältet, " förklarade forskarna, "och har potentiella tillämpningar för att fläta Majorana-staterna."