量子點接觸結(jié)構(gòu)(左)，其中應(yīng)用電壓收縮電子運動到一維，電導(dǎo)(右)顯示應(yīng)用磁場的效果(紅)。來源:新南威爾士大學(xué)

為什么研究一維量子納米線的自旋特性很重要?

量子納米線——只有長度，但沒有寬度和高度——為一種被稱為馬約拉納零模的準(zhǔn)粒子的形成和探測提供了獨特的環(huán)境。

unsw領(lǐng)導(dǎo)的一項新研究克服了此前探測Majorana零模式的困難，并顯著提高了設(shè)備的再現(xiàn)性。

馬約拉納零模的潛在應(yīng)用包括抗故障拓?fù)?/a>量子計算機(jī)和拓?fù)涑瑢?dǎo)。

一維導(dǎo)線中的馬約拉納費米子

馬約拉納費米子是一種復(fù)合粒子，也是它自己的反粒子。

這種不同尋常的粒子在學(xué)術(shù)上和商業(yè)上的興趣來自于它們在拓?fù)淞孔佑嬎銠C(jī)中的潛在應(yīng)用，預(yù)計這種計算機(jī)不會產(chǎn)生隨機(jī)化珍貴量子信息的消相干。

馬約拉納零模可以在由特殊材料制成的量子線中產(chǎn)生，這些材料的電磁特性之間存在很強(qiáng)的耦合。

特別是，當(dāng)一維半導(dǎo)體(如半導(dǎo)體納米線)與超導(dǎo)體耦合時，可以產(chǎn)生馬約拉納零模。

在一維納米線中，垂直于長度的尺寸非常小，不允許亞原子粒子的任何運動，量子效應(yīng)占主導(dǎo)地位。

反物質(zhì)解釋者:每個基本粒子都有一個相應(yīng)的反物質(zhì)粒子，具有相同的質(zhì)量但相反的電荷。例如，一個電子(電荷-1)的反粒子是一個正電子(電荷+1)。信貸:新南威爾士大學(xué)

探測必要的自旋軌道間隙的新方法

具有強(qiáng)自旋軌道相互作用的一維半導(dǎo)體系統(tǒng)在拓?fù)淞孔佑嬎阒芯哂袕V闊的應(yīng)用前景，引起了人們的廣泛關(guān)注。

電子的磁性“自旋”就像一個小條形磁鐵，它的方向可以通過外加磁場來確定。

在具有“自旋-軌道相互作用”的材料中，電子的自旋是由運動方向決定的，即使在零磁場下也是如此。這允許對磁性量子特性的所有電操縱。

在這樣的系統(tǒng)上施加磁場可以打開一個能隙，這樣向前移動的電子都有相同的自旋極化，向后移動的電子有相反的極化。這種“自旋間隙”是馬約拉納零模形成的先決條件。

盡管進(jìn)行了大量的實驗工作，但事實證明，要明確地檢測出半導(dǎo)體納米線中的自旋隙是極其困難的，因為自旋隙的特征特征(當(dāng)施加磁場時，其導(dǎo)電性平臺下降)與納米線中不可避免的背景無序是很難區(qū)分的。

這項新的研究發(fā)現(xiàn)了自旋軌道間隙的一個新的、明確的特征，它不受困擾先前研究的無序效應(yīng)的影響。

“這個特征將成為未來檢測自旋缺口的事實上的標(biāo)準(zhǔn)，”主要作者Karina Hudson博士說。

馬約拉納費米子是它們自己的反粒子，自1937年就建立了理論，但直到最近十年才通過實驗觀測到。馬約拉納費米子對退相干的“免疫力”為容錯量子計算提供了潛在用途。信貸:新南威爾士大學(xué)

再現(xiàn)性

由于容納MZM的自組裝納米線存在隨機(jī)無序和不完美，在可擴(kuò)展量子計算機(jī)中使用馬約拉納零模面臨著額外的挑戰(zhàn)。

以前幾乎不可能制造出可復(fù)制的設(shè)備，只有大約10%的設(shè)備在預(yù)期參數(shù)內(nèi)工作。

最新的UNSW結(jié)果顯示了顯著的改進(jìn)，基于三個不同的起始晶圓的六個設(shè)備的可重復(fù)結(jié)果。

通訊作者亞歷克斯·漢密爾頓教授表示:“這項工作為制造完全可復(fù)制的設(shè)備開辟了一條新途徑。”

《量子點接觸中自旋間隙的新特征》于2021年1月發(fā)表在《自然通訊》雜志上。