新型超导纳米线材料中Majorana束缚态的能谱与输运特性

The Majorana Fermion bound states in condensed matter physics are an important ingredient to realize "topological quantum computation". Superconductor nanowire systems are one of the most promising platforms to host the Majorana bound states. This project studies superconductor nanowire systems from novel materials to practical devices. We focus on novel nanowire materials proximated by superconductor, and study the Majorana physics in these nanowire materials through calculating the energy spectrum and phase diagram. The practical new types of nanowire devices are proposed: multi-terminal superconductor nanowire-quantum dot-superconductor nanowire structure, SQUID type of nanowire structure etc. The tunnel conductances of the above structures are calculated through non-equilibrium Green's function method and the Majorana bound states related signals are extracted. We hope this research can provide more evidence of Majorana bound states in nanowire systems, and aim at the practical devices.

凝聚态系统中的Majorana费米子束缚态，由于其非阿贝尔统计特性，是“拓扑量子计算”能够实现的重要载体。而超导纳米线系统则是目前最具希望产生Majorana束缚态的平台之一。本项目主要从两个方面对超导纳米线系统的Majorana束缚态进行理论研究：一，在新型纳米线材料中，通过临近效应引入超导，计算能谱和相图，找到Majorana束缚态出现的参数；二，提出可行的新型纳米线器件结构设想：多端口的超导纳米线-量子点-超导纳米线结构，SQUID（超导量子干涉仪）纳米线器件等，通过非平衡格林函数方法计算其隧穿电导谱，提炼出Majorana束缚态的特征信号。我们希望能找到更多的关于Majorana束缚态在纳米线系统的证据，为最终制备出实用的器件奠定基础。

拓扑量子计算是二十一世纪初提出的一种新型的量子计算实现方式，它利用了拓扑物态的准激发作为量子计算的载体，有望能够解决传统量子比特的退相位退相干的问题，实现抗干扰的容错量子计算，因而受到广泛的关注。在凝聚态物理中，理论研究表明，多种体系可以转变为拓扑相，产生所需的拓扑准激发。而其中最有希望实现的，也是当前能够在实验室中制备出来的，为自旋轨道耦合半导体纳米线系统，它的拓扑准激发称为Majorana束缚态。.本项目针对半导体纳米线系统，主要研究：（1）一维拓扑绝缘体碲化铋（Bi2Te3）纳米线（棒），p型空穴导电半导体等的纳米线的能谱和相图；（2）三段超导半导体纳米线以及中间的量子点组成的Y-型结中的Majorana束缚态。.所得的重要结果如下。.在第一项内容中，我们得到了一维拓扑绝缘体纳米线通过邻近效应诱导出超导的能谱与相图，发现以缠绕数作为拓扑不变量，可以得到不变量为0，正负1，以及正负2的相，分别与Majorana束缚态的成对的数目相对应。将器件做成超导量子干涉环，我们可以通过输运谱的测量，得到缠绕数，以及缠绕数前面的符号信息。这些结果发表在Phys. Rev. B上（Phys. Rev. B 95, 155420 (2017)）。.第二项内容中，我们设计了由三段超导半导体纳米线以及中间的量子点组成的Y-型结。通过对Majorana束缚态相关的能谱以及波函数分布的分析，我们发现在相位-能谱关系中，相位平面上总会存在一个能级交叉点，它的位置与超导相位差和纳米线的方位角有关。计算结果可以推广到任意的三端纳米线器件中。这些结果待发表（arXiv:1801.08927）。.本项目的研究成果，拓展了半导体纳米线领域中能够实现拓扑超导产生Majorana束缚态的材料体系，设计了新型的纳米线-量子点器件结构，为进一步实现拓扑量子计算的操控打下基础。