近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心HX-Q02组的沈洁特聘研究员与荷兰代尔夫特理工大学Leo Kouwenhoven教授和博后王积银、麻省理工学院傅亮教授及其博后Constantin Schrade以及荷兰爱因霍弗理工大学Erik Bakker组,在强自旋-轨道耦合材料InSb纳米线和超导铝做成的复合“岛”中测量出电子数目奇偶性(parity)相关的超导相位,为构建拓扑和安德烈夫量子比特实现了关键的奇偶性读出。
半导体纳米线上覆盖超导体可以得到诱导超导态,它在施加一定磁场后可以进入拓扑超导态,同时在两端各形成一个马约拉纳零能模。如果将这个系统在电化学势上与外界隔离,引入库伦充电能(即形成量子点),便可精确控制单电子隧穿进出这个拓扑超导系统。
对于两端各有一个马约拉纳零能模的量子点,不论它们之间有多远,电子都可以通过这一对马约拉纳零能模共同构成的准粒子态隧穿过岛并保持量子相干,称之为隐形传输,这样的器件称为“马约拉纳岛”。
马约拉纳岛上电子数目的奇偶性对应马约拉纳零能模形成的准粒子态是否被占据。利用奇偶性可以构筑拓扑量子比特的双重简并态|0>态和|1>态,因此“马约拉纳岛”也是构建拓扑量子比特最基本和最核心的单元。用马约拉纳岛构成网络结构,可以利用隐形传输测量量子比特态,来实现编织的功能,避免了早期编织方案—在T型结的实空间中编织马约拉纳零能模时影响拓扑保护的问题,因此成为了目前国际上受认可的方案。
该实验采用了超导干涉电流测量超导相位,也称为相位敏感实验,是验证非常规超导体的一种有效手段。通过测量结果,作者推测出库珀对(Cooper pair)采用两种方式隧穿经过岛。第一种方式为库伯对分离成两个电子,然后分别通过准粒子态a和b传输,最后电子再合成库伯对。该方式传输的超导电流对岛基态的奇偶性(或者准粒子态a和b的合成奇偶性joint parity)有依赖,两者之间有π相位差。
同时也是一种内部的Cooper pair split。第二种方式为库伯对的两个电子通过同一个准粒子态a或b。这样传输的超导电流不会依赖奇偶性。总超导电流(两项之和)的相位会依赖岛的奇偶性和两种传输方式的比重,而相位可以通过超导电流干涉测量出来。
同时,作者发现奇数态和偶数态的相位差可以通过电场或磁场调节。
反过来,显著的相位差可以用来读取岛基态的奇偶性(或者准粒子态joint parity),从而实现对拓扑量子比特的读取以及操纵。
正如审稿人评价的“The discovery of parity-dependent phase offset phi-0 is novel and can eventually have deep implications for parity readout of Majorana subgap states in related systems”。