Abstrakt:

Majorana nanotrådar, exotiska kvasipartiklar som förutspås dyka upp i vissa halvledar-supraledarhybridstrukturer, har ett enormt löfte för att förverkliga topologisk kvantberäkning. Men deras experimentella förverkligande förblir utmanande på grund av olika dekoherensmekanismer som kan förstöra deras bräckliga kvanttillstånd. Bland dessa dekoherenskällor är spin-orbit interaction (SOI) särskilt relevant eftersom det kan blanda spinn- och laddningsgraderna av frihet för Majorana-lägena.

I denna studie undersöker vi effekten av SOI på robustheten hos Majorana nanotrådar. Vi konstruerar en teoretisk modell som fångar samspelet mellan SOI, supraledning och störning, och analyserar det resulterande topologiska fasdiagrammet. Våra resultat visar att SOI verkligen kan vara skadligt för Majorana-staten, men bara under specifika förhållanden. I synnerhet identifierar vi en parameterregim där SOI spelar en skyddande roll och stabiliserar Majorana-tillståndet mot vissa typer av störningar.

Vi ger fysiska insikter om detta fenomen genom att analysera de underliggande mikroskopiska mekanismerna. Vi visar att SOI kan inducera ett effektivt magnetfält som motverkar de skadliga effekterna av störningar och bevarar de topologiska egenskaperna hos Majorana nanotråden. Våra resultat belyser det komplexa samspelet mellan SOI och andra dekoherenskällor i Majorana nanotrådar, och erbjuder riktlinjer för att optimera designen och tillverkningen av dessa lovande topologiska kvantsystem.

Introduktion:

Majorana-fermioner är kvasipartiklar som lyder icke-abelsk statistik, vilket gör dem till lovande kandidater för att realisera topologisk kvantberäkning. En lovande plattform för att realisera Majorana-fermioner är halvledar-supraledare-hybridnanotrådar, där samspelet mellan supraledning och stark spin-omloppsinteraktion kan ge upphov till bildandet av Majorana-bundna tillstånd i ändarna av tråden.

Men det experimentella förverkligandet av Majorana nanotrådar står inför flera utmaningar, varav en är den skadliga effekten av oordning. Störning kan introducera lokala variationer i supraledning och spin-omloppsinteraktion, vilket kan störa de topologiska egenskaperna i Majorana-staterna. Att förstå störningens inverkan på Majorana nanotrådar är därför avgörande för deras framgångsrika förverkligande.

Teoretisk modell:

För att undersöka störningens inverkan på Majorana nanotrådar, konstruerar vi en teoretisk modell baserad på Bogoliubov-de Gennes (BdG) formalism. BdG Hamiltonian inkluderar termer för supraledande parning, spin-omloppsinteraktion och störningspotential. Vi betraktar en oordnad nanotråd med ett slumpmässigt fluktuerande supraledande gap och spin-orbit interaktionsstyrka.

Topologiskt fasdiagram:

Vi analyserar de topologiska egenskaperna hos Majorana nanotråden genom att beräkna den topologiska invarianten, som skiljer mellan topologiskt triviala och icke-triviala faser. Det topologiska fasdiagrammet, erhållet genom att variera störningsstyrkan och spin-omloppsinteraktionsstyrkan, avslöjar de förhållanden under vilka Majorana-tillståndet är stabilt.

Skyddsrollen för spin-omloppsinteraktion:

Våra resultat visar att spin-orbit interaktion kan spela en skyddande roll för att stabilisera Majorana-tillståndet mot vissa typer av störningar. I synnerhet identifierar vi en parameterregim där Majorana-tillståndet förblir topologiskt skyddat även i närvaro av stark störning. Denna skyddande effekt uppstår från samspelet mellan spin-orbit interaktion och störning, vilket inducerar ett effektivt magnetfält som motverkar de skadliga effekterna av störning.

Slutsats:

Sammanfattningsvis belyser vår studie det komplexa samspelet mellan spin-orbit interaktion och störning i Majorana nanotrådar. Vi identifierar en parameterregim där spin-omloppsinteraktion kan stabilisera Majorana-tillståndet mot vissa typer av störningar, vilket ger värdefulla insikter för att optimera designen och tillverkningen av dessa lovande topologiska kvantsystem. Våra resultat kan bidra till de pågående ansträngningarna för att realisera Majorana nanotrådar för topologisk kvantberäkning.