基于量子纳米光力系统的Majorana费米子的非线性光学探测及其调控研究

The search for Majorana fermions in condensed matter physics has been carried out intensively in recent years due to their importance to fundamental science and potential applications in topological quantum computing. However detecting the existence of Majorana fermions is still a challenging event at present. In the present project we theoretically propose a novel nonlinear optical method to probe Majorana fermions in a hybrid semiconductor/superconductor heterostructure system (such as Mourik et al., Science 336, 1003 (2012)). Our proposal is based on nanooptomechanical systems such as a quantum dot embedded in a nanomechanical resonator or a carbon nanotube resonator with single electron spin and so on. With this method, the probe absorption spectrum will present a distinct signature for the existence of Majorana fermions, and the coupling strength between Majorana fermion and the optomechanical systems can also be determined via this probe absorption spectrum. Furthermore, the vibration of the resonator will significantly enhance the probe absorption spectrum, which makes the Majorana fermions more sensitive to be detected. These nanooptomechanical systems will play a key role as a sensitive optical probe. Also the proposed method may provide a potential supplement for detection of Majorana fermions. Finally, the scheme proposed here will open a good perspective for its applications in all-optically controlled Majorana fermion-based quantum computation and quantum information processing.

近年来由于马约拉纳费米子在量子计算中的潜在应用前景，寻找它的存在已成为凝聚态物理学家关注的热门课题。直到2012年人们才通过基于隧穿谱的电输运实验在半导体纳米线/超导体异质结构中观测到了类似于马约拉纳费米子的信号。但是，这个非量子化零偏压峰值信号也可能是由其它因素如Andreev束缚态和无序态等引起的，是否真的是马约拉纳费米子还有待进一步的深入研究。虽然最近又有两个实验证据，到目前为止人们所用的实验和理论方案，基本上都是基于电学的测量方法。因此，作为对马约拉纳费米子探测方法的另一补充，本项目将提出一种基于非线性光学的量子测量方法，它主要是基于量子纳米光力系统，利用量子光力学方法来探测。此方法不包含任何电学参量，避免了电路引起的误差，可以预计其测量灵敏度应比电学测量方法高。本项目拟深入系统地研究基于量子纳米光力系统探测马约拉纳费米子的光学方法及其调控方案，为今后的实验研究提供有力的理论指导。

本项目已系统全面地研究了基于量子纳米光力系统探测马约拉纳费米子的光学方法及其调控方案，这是一种基于非线性光学的量子测量方法，它主要是基于量子纳米光力系统如量子点、表面等离激元与半导体纳米线的耦合系统和表面等离激元与纳米碳管与半导体纳米线的耦合系统等，利用量子光力学方法和光学泵浦-探测方法来探测，此方法不包含任何电学参量，避免了电路引起的误差，研究结果表明其测量灵敏度确实比电学测量方法高。这为今后的实验研究提供了强有力的理论指导。我们已完成了本项目的所有计划要点，并达到或超越了预期研究结果，同时根据国内外研究发展状况以及国际研究的新热点，我们还系统研究了基于悬浮量子光力系统的暗物质与暗能量的精密探测的全新光学方案以及其他量子非线性光学效应和基于石墨烯“鼓膜”更为实用的室温光学质谱仪等。在国际重要学术期刊上共发表论文14篇， 其中发表在Sensors 的“Fano Effect and Quantum Entanglement in Hybrid Semiconductor Quantum Dot-Metal Nanoparticle Systems”为长篇综述文章。论文被国际文献他人引用总数为1500余次，其中包括专门发表综述文章的 Rev. Mod. Phys.（2019年IF为38.296) 和 Physics Reports （IF: 28.925）以及 Nature Physics (IF: 20.113), Nano Letters (IF:12.279 ) 和 Phys. Rev. Lett. (IF:9.227 ) 的重点和多次引用。