[论文解读] Cross correlation mediated by distant Majorana zero modes with no overlap

Lupei Qin, Wei Feng+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 47被引用 7

一句话总结

该论文提出一种方案，可在两引线Majorana器件中检测分支电路电流之间的非局域交叉关联，即使在耦合能 ǫM → 0 时亦成立，方法是将总电流分解为与Andreev过程相关的分量。通过采用含量子跃迁技术的主方程方法，证明了由于Majorana零能模的非局域特性，非局域关联依然存在，从而提供了一种确定的实验信号，与零偏压电导峰相辅相成。

ABSTRACT

Existing studies via shot noise calculation conclude that the cross correlation between the currents in the two leads connected by a pair of Majorana zero modes (MZMs) vanishes when their coupling energy $\epsilon_M o 0$. Motivated by the intrinsic nature of nonlocality of the MZMs, we revisit this important problem and propose an experimental scheme to demonstrate the nonvanishing cross correlation even at the limit $\epsilon_M o 0$. The proposed scheme employs the Andreev-process-associated branch circuit currents, which are theoretically obtained by applying a decomposition analysis for the total currents while in practical measurement, are accessible directly. For different bias voltage setup, we find intriguing results of both negative and positive correlations and carry out simple physical understanding using a quantum jump technique. Importantly, combining together with the evidence of the zero-bias-peak of conductance, the nonlocal cross correlation predicted in this work can help to definitely confirm the existence of the nonlocal MZMs.

研究动机与目标

• 解决一个长期存在的谜题：尽管Majorana零能模（MZMs）具有非局域特性，但在 ǫM → 0 时总引线电流的交叉关联却消失。
• 识别出可实验测量的物理量，以揭示MZMs内在的非局域性，超越总电流测量的局限。
• 提供一种确定的实验信号——分支电路电流中的非局域交叉关联，以补充零偏压电导峰，从而确认真实MZMs的存在。
• 证明非局域关联的符号可随偏压电压变化而为正或为负，从而提供更丰富的诊断工具。

提出的方法

• 采用改进的主方程方法，结合Lindblad超算符，描述三终端结构中MZMs的隧穿与Andreev过程。
• 使用占据数态表示法追踪f-准粒子占据数，从而分析非局域动力学行为。
• 通过量子跃迁技术，将总引线电流分解为分量电流——具体而言，是超导体返回至各引线的分支电路电流。
• 引入广义洛伦兹谱函数 eδ(ω ∓ ǫM) 以模拟Andreev过程中能级展宽与能量守恒。
• 推导电子与空穴过程的耦合速率 Γ±α 和 eΓ±α，以区分正常隧穿与Andreev过程。
• 计算所提取分支电路电流之间的交叉关联，这些电流在实验中可直接测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 当MZM耦合能 ǫM → 0 时，远距离引线之间的非局域交叉关联是否仍能持续存在，与以往的散粒噪声计算结果相反？
• RQ2 是否存在可测量的电流分量，能够揭示MZMs的非局域本质，而不仅限于总引线电流？
• RQ3 在不同偏压电压配置下，非局域交叉关联的物理起源及其符号（正或负）为何？
• RQ4 非局域交叉关联是否可实验观测，并与平凡效应相区分？
• RQ5 非局域交叉关联如何与零偏压电导峰共同作用，以确认真实MZMs的存在？

主要发现

• 由于MZMs的非局域特性，与Andreev过程相关的分支电路电流之间的交叉关联在 ǫM → 0 极限下也不消失。
• 交叉关联的符号随偏压电压配置的不同而呈现正或负，表明存在丰富的非局域动力学行为。
• 通过量子跃迁技术提取的分量电流在实验中可直接对应为可测量的分支电路电流。
• 在小偏压下，非局域交叉关联具有鲁棒性，其行为由谱函数 eδ(ω ∓ ǫM) 决定，该函数考虑了能级展宽效应。
• 当非局域交叉关联与零偏压电导峰共同出现时，可作为真实非局域MZMs的确定性实验信号。
• 本研究解决了文献中长期存在的矛盾：即总电流交叉关联消失，而本研究通过揭示分量电流中隐藏的非局域性，成功解释了该矛盾。