FF超导体上的半导体纳米线中的马约拉纳费米子 

通信作者
刘佳 华南师范大学物理与通信工程学院
龚明 香港中文大学物理系/中国科技大学量子信息重点实验室

研究背景

马约拉纳费米子是一种特殊纳米子，其反粒子为自身。该假想由马约拉纳于1937年首次提出[1]，然而漫长的半个多世纪过去，物理学家们依然没有捕捉到这种神秘粒子的踪迹。随着固体物理材料拓扑性质研究进一步发展，物理学家们开始尝试在固体材料的拓扑相变中寻找马约拉纳费米子[2]。2001年，Kitaev提出以超导体和纳米线的复合系统制备马约拉纳费米子[3]。在此理论基础上，2011年，马里兰大学Das Sarma领导研究团队，针对InAs-AlSb异质结构给出了具体可行的实验方案[4]。但众所周知，该系统产生马约拉纳费米子的条件是较大的朗道g因子，而现有半导体纳米线材料大多数无法满足该要求。因此，如欲应用现有材料制备马约拉纳费米子，必须加入大磁场，相当不利于实验的实现。
 

研究结果与亮点 

近期，华南师范大学的刘佳博士与其合作伙伴中国科学技术大学的龚明教授提出，可用FF超导体[5-6]替换Das Sarma团队方案中的s波超导体，在原有的可调参量基础上引入FF超导体的质心动量Q，有效放宽了对纳米材料朗道g因子的苛刻要求，使更多的半导体材料可用于制备马约拉纳费米子[7]。研究以目前最有优势的半导体InP为例，通过数值计算确认了马约拉纳费米子的存在，普遍证明了质心动量方向与外加磁场方向垂直是最佳实验方案，并针对不同的半导体材料给出了供实验参考的Q值。随着近年来FFLO超导体的发掘[8-11]，相信在未来这一个寻找马约拉纳费米子的实验方案将备受实验物理学家青睐。

(a) 化学势μ=1.0 meV，Q与纳米线垂直状态的相图，I是拓扑相、II是非拓扑相。当自旋轨道耦合(SOC)强度无限增大的时候,两个临界质心动量趋近零点。另外两条边界Q~±4mα趋近无穷。(b) |Q|=0.04/nm, Θ=2π/5时化学势和SOC强度的相图。(c, d)是针对长度为3.0 μm的InP纳米线与FF超导体复合系统的计算。(c) 图中是最低的两个非负的本征值，其中质心动量沿y方向，|Q|=0.2/nm, 两个结点与图(a)中的虚线相对应。(d)图是与(a)图中α=30 meV·nm的绿色星号点对应的系统的能级图以及马约拉纳费米子的波函数在纳米线上的分布图。

参考文献

1.     E. Majorana, Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone, Nuovo Cim. 14(4), 171 (1937) (in Italian)

2.     F. Wilczek, Majorana returns, Nat. Phys. 5(9), 614 (2009)

3.     A. Y. Kitaev, Unpaired Majorana fermions in quantum wires, Phys. Uspekhi 44(10S), 131 (2001)

4.     R. M. Lutchyn, T. D. Stanescu, and S. Das Sarma, Search for majorana fermions in multiband semiconducting nanowires, Phys. Rev. Lett. 106(12), 127001 (2011)

5.     P. Fulde and R. A. Ferrell, Superconductivity in a strong spin-exchange field, Phys. Rev. 135(3A), A550 (1964)

6.     A. I. Larkin, and Y. N. Ovchinnikov, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 47, 1136 (1964)

7.     J. Liu, C. F. Chan, and M. Gong, Majorana Fermions in semiconducting nanowires on the top of Fulde-Ferrell superconductor, Front. Phys. doi:10.1007/s11467-018-0863-2

8.     G. Koutroulakis, H. Kühne, J. A. Schlueter, J. Wosnitza, and S. E. Brown, Microscopic study of the Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state in an all-organic superconductor, Phys. Rev. Lett. 116(6), 067003 (2016)

9.     H. Mayaffre, S. Krämer, M. Horvatić, C. Berthier, K. Miyagawa, K. Kanoda, and V. F. Mitrović, Evidence of Andreev bound states as a hallmark of the FFLO phase in κ-(BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂, Nat. Phys. 10, 928 (2018)

10.   J. Wosnitza, FFLO states in layered organic superconductors, Ann. Phys. 530(2), 1700282 (2018)

11.   Y.-W. Guo and Y. Chen, Topological Fulde–Ferrell and Larkin–Ovchinnikov states in spin-orbit-coupled lattice system, Front. Phys. 13, 137402 (2018) 

文献链接
Jia Liu, Chun Fai Chan, and Ming Gong, Majorana fermions in semiconducting nanowires on the top of Fulde-Ferrell superconductor, Front. Phys. 14(1), 13609 (2019) 

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Y.-W. Guo and Y. Chen, Topological Fulde–Ferrell and Larkin–Ovchinnikov states in spin-orbit-coupled lattice system, Front. Phys. 13, 137402 (2018)