马约拉纳费米子是一种自身反粒子的特殊粒子。在凝聚态物理学中, 零能的马约拉纳费米子服从非阿贝尔统计, 可以用于容错性拓扑量子计算, 因此, 吸引了广泛的研究兴趣。但是由于马约拉纳费米子本身不带电荷, 实验上探测起来非常困难。最近一项散粒噪音理论研究为实验上探测马约拉纳费米子提供了一种新方案。

相关的研究论文题目为 “Current noisein  a topological Josephson junction”,  近期刊登在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy上, 由苏州大学江华教授和北京大学谢心澄院士作为通讯作者撰写。作者使用非平衡格林函数方法, 分析了拓扑约瑟夫森结的直流和交流电流以及相应的电流噪声, 揭示了马约拉纳费米子的存在和非平衡电流噪声之间的关系。

研究表明, 零能的马约拉纳费米子边态可以存在于时间反演对称性破缺的拓扑约瑟夫森结的界面上。它们的存在会形成两个相互交叉的对应不同宇称的4π周期的能量相位差关系。这种能量相位差关系会产生相同周期的分数约瑟夫森效应。然而, 在具体实验中, 因为有限尺寸效应的存在, 两个能量相位差关系会在交叉点打开一个很小的能隙, 重现2π的周期性。在非平衡情况下, 电压V的存在使得马约拉纳费米子边态可以克服这个能隙。前人理论工作表明在马约拉纳费米子边态和超导能隙外的占据态之间耦合作用下, 电流散粒噪声会在频率ω=eV处出现峰值。但是马约拉纳费米子边态可能在发生多次安德烈夫反射过程后再与占据态耦合, 这可能会导致很多新的物理现象。

该项研究采用了非平衡格林函数方法, 系统地研究了多重安德烈夫反射过程对观测马约拉纳费米子的影响。研究人员首先分析了平衡态情况下的电流以及相应的电流噪声。进而指出, 虽然在平衡情况下, 有限尺寸导致的能隙使马约拉纳费米子边态的宇称发生变化重现2π周期的约瑟夫森电流, 但是在宇称变化的地方电流噪声会出现一个低谷, 这暗示了马约拉纳费米子边态的存在。随后研究者分析了非平衡情况下的电流和电流噪声, 证明了多重安德烈夫反射过程的存在使得非平衡电流噪声在频率ω=neV(n是正整数)处出现多重峰值, 这可以作为实验上探测马约拉纳费米子存在的一种方案。这一研究揭示了多重安德烈夫反射与拓扑超导电流噪音的关系, 对寻找凝聚态体系中的马约拉纳费米子具有一定的指导意义。

图1  不同电压下, 有限频率电流噪声随频率的关系。右图中的尖峰表征马约拉纳费米子的存在。

该项研究得到了国家基础研究计划(National Key Basic Research Program of China (Grant Nos. 2015CB921102, and 2014CB920901)), 国家重点攻关计划(National Key Research and Development Program of China (Grant No. 2017YFA0303301)), 和国家自然科学基金(National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11574007, 11574245, 11534001, and 11474085))的资助。

更多详情请阅读原文：

Yu-Hang Li, Jie Liu, JunTao Song, Hua Jiang, Qing-Feng Sun, and XinCheng Xie, Current noises in a topological Josephson junction, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 61, 097411 (2018)

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/61/9/10.1007/s11433-018-9232-5?slug=full%20text

https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-018-9232-5

扩展阅读

贾金锋教授综述 | 实验探索马约拉纳费米子

《中国科学: 物理学 力学 天文学》(中文版)和SCIENCE CHINA: Physics, Mechanics & Astronomy (SCPMA, 英文版)是中国科学院主管、中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的综合性学术刊物, 均为月刊。英文版SCPMA被SCI, EI, ADS等数据库收录, 2017年影响因子为2.754, Q1区。中文版被Scopus、《中文核心期刊要目总览》、《中国科学引文数据库》等收录, 以出版热点专题和专辑为主。中英文为两本完全独立的刊物。订阅《中国科学: 物理学 力学 天文学》微信公众号, 手机同步关注最新热点文章、新闻、科技资讯, 请添加微信号SCPMA2014或扫描下方图片关注.