量子点接触结构(左)，其中应用电压收缩电子运动到一维，电导(右)显示应用磁场的效果(红)。来源:新南威尔士大学
为什么研究一维量子纳米线的自旋特性很重要?
量子纳米线——只有长度，但没有宽度和高度——为一种被称为马约拉纳零模的准粒子的形成和探测提供了独特的环境。
unsw领导的一项新研究克服了此前探测Majorana零模式的困难，并显著提高了设备的再现性。
马约拉纳零模的潜在应用包括抗故障拓扑量子计算机和拓扑超导。
一维导线中的马约拉纳费米子
马约拉纳费米子是一种复合粒子，也是它自己的反粒子。
这种不同寻常的粒子在学术上和商业上的兴趣来自于它们在拓扑量子计算机中的潜在应用，预计这种计算机不会产生随机化珍贵量子信息的消相干。
马约拉纳零模可以在由特殊材料制成的量子线中产生，这些材料的电磁特性之间存在很强的耦合。
特别是，当一维半导体(如半导体纳米线)与超导体耦合时，可以产生马约拉纳零模。
在一维纳米线中，垂直于长度的尺寸非常小，不允许亚原子粒子的任何运动，量子效应占主导地位。
反物质解释者:每个基本粒子都有一个相应的反物质粒子，具有相同的质量但相反的电荷。例如，一个电子(电荷-1)的反粒子是一个正电子(电荷+1)。信贷:新南威尔士大学
探测必要的自旋轨道间隙的新方法
具有强自旋轨道相互作用的一维半导体系统在拓扑量子计算中具有广阔的应用前景，引起了人们的广泛关注。
电子的磁性“自旋”就像一个小条形磁铁，它的方向可以通过外加磁场来确定。
在具有“自旋-轨道相互作用”的材料中，电子的自旋是由运动方向决定的，即使在零磁场下也是如此。这允许对磁性量子特性的所有电操纵。
在这样的系统上施加磁场可以打开一个能隙，这样向前移动的电子都有相同的自旋极化，向后移动的电子有相反的极化。这种“自旋间隙”是马约拉纳零模形成的先决条件。
尽管进行了大量的实验工作，但事实证明，要明确地检测出半导体纳米线中的自旋隙是极其困难的，因为自旋隙的特征特征(当施加磁场时，其导电性平台下降)与纳米线中不可避免的背景无序是很难区分的。
这项新的研究发现了自旋轨道间隙的一个新的、明确的特征，它不受困扰先前研究的无序效应的影响。
“这个特征将成为未来检测自旋缺口的事实上的标准，”主要作者Karina Hudson博士说。
马约拉纳费米子是它们自己的反粒子，自1937年就建立了理论，但直到最近十年才通过实验观测到。马约拉纳费米子对退相干的“免疫力”为容错量子计算提供了潜在用途。信贷:新南威尔士大学
再现性
由于容纳MZM的自组装纳米线存在随机无序和不完美，在可扩展量子计算机中使用马约拉纳零模面临着额外的挑战。
以前几乎不可能制造出可复制的设备，只有大约10%的设备在预期参数内工作。
最新的UNSW结果显示了显著的改进，基于三个不同的起始晶圆的六个设备的可重复结果。
通讯作者亚历克斯·汉密尔顿教授表示:“这项工作为制造完全可复制的设备开辟了一条新途径。”
《量子点接触中自旋间隙的新特征》于2021年1月发表在《自然通讯》杂志上。
