[論文レビュー] Majorana quasiparticles in condensed matter

Ramón Aguado|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 195被引用数 301

ひとこと要約

Condensed matterにおけるMajorana準粒子の総説で、人工的な1次元トポロジカル超伝導、BdG形式、およびナノワイヤや関連プラットフォームでの実験進展を強調。

ABSTRACT

In the space of less than one decade, the search for Majorana quasiparticles in condensed matter has become one of the hottest topics in physics. The aim of this review is to provide a brief perspective of where we are with strong focus on artificial implementations of one-dimensional topological superconductivity. After a self-contained introduction and some technical parts, an overview of the current experimental status is given and some of the most successful experiments of the last few years are discussed in detail. These include the novel generation of ballistic InSb nanowire devices, epitaxial Al-InAs nanowires and Majorana boxes, high frequency experiments with proximitized quantum spin Hall insulators realised in HgTe quantum wells and recent experiments on ferromagnetic atomic chains on top of superconducting surfaces.

研究の動機と目的

• Majorana準粒子とそれらの超伝導性および粒子-hole対称性との関係を説明する。
• 1Dトポロジカル超伝導へとつながる理論的枠組みを概観する（Kitaev chain、Rashba系、Fu–Kaneモデル）。
• 設計されたプラットフォームにおけるMajorana零モードの実験的実装と検出プロトコルをレビューする。
• 半導体ナノワイヤ、エピタキシャル超伝導体－半導体ハイブリッド、および関連システムにおける最近の実験進展を概説する。

提案手法

• DiracおよびMajoranaの概念への自己完結型の紹介を提示する。
• Bogoliubov–de Gennes形式とそれがMajorana物理とどう関連するかを説明する。
• カノニカルモデル（キラルp+ipおよびKitaev）と非Abelianブラウディングの概念を検討する。
• 二つの主要な人工的実装を概説する：Fu–Kaneトポロジカル絶縁体近接とRashba半導体プラットフォーム。
• 実験的検出プロトコルの詳細（例：量子化した伝導、4πジョセフソン効果、Majoranaアイランドにおけるクーロン blockade）を提示する。
• 複数のプラットフォームにわたる誘導された1次元トポロジカル超伝導の進展を概観する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 人工的なトポロジカル超伝導を通じて凝縮系システムでMajorana零モードはどう実現できるか。
• RQ2 BdG準粒子と超伝導体のMajoranaフェルミオンとの理論的関連は何か。
• RQ3 最も説得力のあるMajoranaモードの証拠を提供する実験プラットフォームは何で、どのように検出されるか。
• RQ4 半導体ナノワイヤやトポロジー絶縁体エッジなどの1次元Majoranaプラットフォームにおける主要な実験的課題とマイルストーンは何か。
• RQ5 InSb、Al–InAs、HgTe、原子列などの異なる材料アーキテクチャはMajorana検出と操作の進展にどのように寄与しているか。

主な発見

• BdGフレームワークは自然に粒子-hole対称性を提供し、それが超伝導量子状態をMajoranaフェルミオンへ結びつける。
• Majorana零モードはトポロジカル超伝導体において零エネルギーで現れ、ギャップを閉じない摂動に対して頑健である。
• 人工的なMajoranaプラットフォームへの二つの標準的ルートは、Fu–Kaneトポロジカル絶縁体近接設置と誘導されたp波結合を持つRashba系半導体である。
• 多様な実験検出プロトコルが存在し、通常金属－超伝導体輸送特性、4πジョセフソン効果、Majoranaアイランドにおけるクーロン blockade現象などがある。
• 最近の実験的進展は、 ballistic InSbナノワイヤ、Majoranaモードを持つエピタクシャルAl–InAsナノワイヤ、Majoranaボックス、HgTe井戸の近接伝導量子スピンホールエッジ、超伝導体上の強結合原子列などに及ぶ。
• 顕著な進展にもかかわらず、非アベリアブラディングとトポロジカル超伝導の決定的な証拠は依然として難しく、複数のプラットフォームに跨る継続的な取り組みが進行中である。