研究调查旋转轨道相互作用如何保护Majorana纳米线

代尔夫特理工大学的研究人员最近开展了一项研究调查Majorana纳米线中自旋轨道相互作用的研究。他们的研究发表在物理评论快报上，是第一个清楚地展示出能够创造难以捉摸的Majorana粒子的机制，这种粒子可能成为更稳定的量子计算机的构建模块。

“我们的研究旨在对理论上提出的Majorana零模式进行实验验证，”进行这项研究的研究人员之一Jouri Bommer通过电子邮件告诉Phys.org。“这颗颗粒是它自己的反粒子，特别令人感兴趣，因为它预计可用于开发拓扑量子计算机。”

量子计算是计算机科学的一个有前途的领域，它探索使用量子力学现象和量子态来存储信息和解决计算问题。在未来，量子计算机可以解决传统计算方法无法解决的问题，例如，能够对新药物和分子进行计算和确定性设计。

尽管这些计算机具有显着的优势，但是大多数量子计算方法都受到对噪声的敏感性，这被称为“退相干”。因此，研究人员开发出一种新型的量子计算机，它依赖于Majorana粒子，这些粒子本身就可以防止噪音。这种“拓扑”保护需要超导性，这种现象允许无耗散的电流。

“通过将量子信息编码到Majorana零模式的拓扑属性中，可以从基本设备级别解决退相干误差/问题，”Bommer解释说。“这种新颖的系统本质上可以防止噪音，这是一个困扰量子计算的替代方法的问题。对噪音的拓扑保护很像将信息存储在绳索中的结：通过轻微摇动绳索，结将不会被解除“。

Majoranas的产生依赖于磁场，磁场通常与超导性不相容; 对Majoranas的明确要求。克服这种限制的一种解决方案是利用电子运动与其内部“磁体”的相互作用，这种现象称为自旋 - 轨道相互作用。在这种相互作用的存在下，材料不会强烈地感受到Majoranas所需的磁场，从而实现超导性。

“以前的研究已经显示出支持Majorana零模式存在的特征，尽管到目前为止，关于这些实验特征是否可以被其他物理现象模仿还存在相当大的争议，”Bommer解释道。“在我们最近的出版物中，我们采用不同的方法并研究创建Majorana零模式的先决条件。为了创建Majorana，我们需要一种本质上具有自旋轨道相互作用的半导体纳米线，我们将其耦合到超导材料到使超导“泄漏”到半导体纳米线中。“

到目前为止，大多数研究都假设在实验中存在自旋 - 轨道相互作用，这些实验证明了Majorana模式的证据。尽管如此，还没有人研究过这种相互作用在超导体和半导体Majorana线中的影响，这对于创建这些模式至关重要。

“在我们的研究中，我们揭示了这种效应并直接测量了这种自旋 - 轨道相互作用及其强度，”Bommer说。“我们通过研究各种不同方向的磁场对超导性的影响来实现这一目标。”

通常，磁场通过闭合超导能隙来抑制超导性。当磁场指向特定方向时，自旋轨道相互作用抵消了这种抑制。因此，在他们的电子传输实验中，研究人员需要更强的磁场来弥补这一差距。

通过进行理论计算并将它们与实验数据进行比较，Bommer和他的同事可以估计自旋 - 轨道相互作用的强度。这个非常重要的参数以前在拓扑量子计算应用系统中是未知的。

“我们的观察结果表明，旋转 - 轨道相互作用是创建Majorana模式的基本要素之一，它存在于系统中，因此支持先前已观察到的Majorana模式的特征，”Bommer解释说。“此外，观测到的自旋轨道相互作用保护超导性的物理学正是最终导致拓扑量子计算机预期的噪声弹性(即拓扑保护)的物理学。”

Bommer及其同事进行的这项研究表明，超导和自旋轨道相互作用可以同时存在，揭示了自旋轨道相互作用保护Majorana纳米线超导性的机制。他们的观察表明，这种材料系统的更先进的实现也应该受益于量子信息的自旋轨道保护，并且估计的自旋轨道强度为量子计算电路的设计提供了重要的输入。

研究人员正在计划进一步研究，旨在使用改进的材料系统为Majorana零模式寻找新的实验特征。例如，他们已经将NbTiN超导体改为薄铝层，这提供了更好的超导性。

“我们也在寻找同时观察电线两端的Majorana粒子，这是一个强烈的论据，声称观察真正的Majorana模式，”Bommer说。“我们正在努力的这些改进也需要实现我们创造一个使用Majorana粒子作为构建块的量子计算机的雄心。这些近期的实验不仅将作为拓扑量子位的中间步骤，而且还将显示Majorana物理学。一个更基本的方面。“

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