[论文解读] 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 301

一句话总结

对 condensed matter 中 Majorana 准粒子 的综述，重点是人工一维拓扑超导、BdG 形式、以及在纳米线及相关平台上的实验进展。

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.

研究动机与目标

• 解释 Majorana 准粒子及其与超导性与粒子-空穴对称性的关系。
• 回顾导致一维拓扑超导的理论框架（Kitaev链、Rashba 系统、Fu–Kane 模型）。
• 评述在工程化平台中实现的 Majorana 零模及检测方案。
• 总结半导体纳米线、 外延超导体–半导体杂化以及相关系统的最新实验进展。

提出的方法

• 给出一个自包含的 Dirac 与 Majorana 概念导论。
• 描述 Bogoliubov–de Gennes 形式及其与 Majorana 物理的关系。
• 讨论规范模型（手性 p+ip 和 Kitaev）以及非阿贝伦 braiding 概念。
• 概述两种主要的人工实现：Fu–Kane 拓扑绝缘体近邻效应与 Rashba 半导体平台。
• 详细的实验检测方案（例如量子化电导、4π Josephson 效应、Majorana 岛中的库仑阻塞）。
• 回顾在多种平台中诱导的一维拓扑超导的进展。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过人工拓扑超导，如何在凝聚态系统中实现 Majorana 零模？
• RQ2 BdG 准粒子与超导体中的 Majorana 费米子之间的理论联系是什么？
• RQ3 哪些实验平台提供最令人信服的 Majorana 模态证据，它们是如何被探测的？
• RQ4 在一维 Majorana 平台（如半导体纳米线和拓扑绝缘体边缘）中的主要实验挑战与里程碑是什么？
• RQ5 不同材料结构（如 InSb、Al–InAs、HgTe、原子链）如何推动 Majorana 的探测和操控？

主要发现

• BdG 框架本质地提供粒子-空穴对称性，将超导准粒子与 Majorana 费米子联系起来。
• Majorana 零模在拓扑超导体中在零能量处产生，且对不会导致能隙关闭的扰动具有鲁棒性。
• 两条人工 Majorana 平台的典型路径是 Fu–Kane 拓扑绝缘体近邻设置和基于 Rashba 的半导体系统，具备诱导的 p 波配对。
• 存在一系列实验检测方案，包括正常金属-超导体输运特征、4π Josephson 效应，以及 Majorana 岛中的库仑阻塞现象。
• 最近的实验进展涵盖准 ballistic 的 InSb 纳米线、具 Majorana 模的外延 Al–InAs 纳米线、Majorana 盒子、在 HgTe 井中的近邻化量子自旋霍尔边缘，以及在超导体上的铁磁原子链。
• 尽管取得显著进展，但关于非阿贝尔 braiding 和拓扑超导性的明确证据仍然具有挑战性，相关努力跨越多平台。