马约拉纳费米子非局域性的研究

The inherent non-local property of Majorana Fermions in condensed matter systems has attracted substantial attention recently, because quantum information can be stored no-locally in a pair of spatially separated Majorana Fermions as needed to realize topological quantum computation. In this proposal, we will investigate the non-locally cross-correlating property of different type of Majorana Fermions. We mainly focus on (1) realization of Majorana Fermions-induced nonlocal transport by tuning the valley freedom and pseudoparity of grapheme nanoribbons; (2) the influence of non-locality of Majorana fermions on local transport processes; (3) the non-local response of Majorana Fermions at different excitation energies. The proposal is expected to shed light on understanding the topological protection of three type of Majorana Fermions and devising the quantum topological devices based on nonlocal regulation.

因为量子信息可以存储在一对空间分离的马约拉纳费米子中，马约拉纳费米子的非局域性吸引了人们广泛的研究兴趣。本项目将从理论上研究不同类型的马约拉纳费米子的非局域关联性质。主要研究内容包括：(1)利用石墨烯纳米带的谷自由度和赝宇称实现马约拉纳费米子的非局域输运；(2)探索马约拉纳费米子的非局域性对局域输运过程的影响；(3)马约拉纳费米子在不同能量范围内的非局域响应。该项目的研究将对理解三种不同类型的马约拉纳费米子的拓扑保护性以及设计非局域调控的量子拓扑器件打下一定的理论基础。

在拓扑超导体中，量子信息可以非局域的存储在空间分离的马约拉纳束缚态中，因为没有退相干问题，这一拓扑态是高效量子计算的未来优选载体。本项目从理论上研究了不同类型的马约拉纳束缚态的非局域关联性质：（1）研究了不同类型马约拉纳束缚态的非局域性，利用三端和两端异质结，获得不同类型马约拉纳束缚态局域输运和非局域输运性质之间的关系，发现奇偶宇称交叉点的零能马约拉纳束缚态诱导了一种非局域电子阻挡效应；（2）研究了准马约拉纳束缚态的非局域性，利用不同类型的非均匀垫垒，研究准马约拉纳束缚态的空间分布和非定域性，发现即使没有进入拓扑态，准马约拉纳束缚态也表现出很好的拓扑非定域性和量子容错性；（3）研究了马约拉纳零能态的非平衡输运问题，通过分析正常端零相位差超流和磁场的关系，可推导出超导能隙和Andreev束缚态能隙的大小，进而通过能隙反转间接揭示拓扑体相变过程；（4）研究了石墨烯线缺陷中的单参量非绝热泵浦，利用线缺陷的反演对称性破缺性对谷电子入射具有角度选择性，实现了谷自由度在实空间的有效分离；（5）研究了磁场对多晶石墨烯线缺陷的谷电子过滤机制，发现磁场下Dirac 环移动会使两个谷的隧穿系数与散射角同步移动，从而使一个谷全反射，实现完全谷极化。（6）受Nanotechnology杂志邀请，完成了一篇有类石墨烯线缺陷体系中谷输运的综述文章；（7）在本项目的资助下，完成了一篇教改论文，发表在《大学物理》上。总之，本项目的研究将加深我们对马约拉纳束缚态的非局域关联性的理解，并为设计量子拓扑器件提供一定的理论支持。