[论文解读] Majorana Zero Modes in Magnetic Texture Vortices

Daniel Steffensen, Brian M. Andersen+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种新颖的机制，通过在具有稳健点节点的超导体附近诱导磁性纹理中的自旋或位移涡旋缺陷，来实现马约拉纳零模（MZMs）的工程化。该方法在自旋单重态、三重态或混合对称性的超导体中均具有普适性，并提供了一个解释近期在磁性吸附原子体系中观测到的马约拉纳零模现象的框架，同时为利用强 Rashba 自旋轨道耦合的纳米线构建新平台提供了可能。

ABSTRACT

We propose an alternative route to engineer Majorana zero modes (MZMs), which relies on inducing shift or spin vortex defects in magnetic textures which microscopically coexist or are in proximity to a superconductor. The present idea applies to a variety of superconducting materials and hybrid structures, irrespectively of their spin-singlet, -triplet, or mixed type of pairing, as long as their bulk energy spectrum contains robust point nodes. Our mechanism provides a new framework to understand the recent observations of pairs of MZMs in superconductor - magnetic adatom systems. Moreover, it can inspire the experimental development of new platforms, consisting of nanowires in proximity to conventional superconductors with strong Rashba spin-orbit coupling.

研究动机与目标

• 开发一种超越传统拓扑超导体的新型马约拉纳零模工程机制。
• 利用基于缺陷的机制解释近期在超导体-磁性吸附原子体系中观测到的成对马约拉纳零模实验现象。
• 识别一种适用于各种超导材料的一般性框架，只要其具有稳健的点节点。
• 启发基于强 Rashba 自旋轨道耦合纳米线与常规超导体近邻的新实验平台。

提出的方法

• 利用磁性纹理涡旋——特别是自旋或位移缺陷——作为拓扑缺陷，在超导异质结中宿主马约拉纳零模。
• 以超导体能谱中存在体点节点作为马约拉纳零模出现的前提条件。
• 应用磁性纹理与超导体之间的近邻效应，在涡旋核心诱导有效 p 波配对。
• 通过对称性和拓扑论证表明，即使在缺乏强自旋轨道耦合或反演破缺的情况下，涡旋缺陷也能稳定马约拉纳零模。
• 证明该机制在存在点节点的前提下，对不同配对类型（单重态、三重态、混合）均具有鲁棒性。
• 使用有效哈密顿量模型来捕捉超导配对、磁性纹理和自旋轨道耦合之间的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖强自旋轨道耦合或反演破缺的情况下，在磁性纹理涡旋中稳定马约拉纳零模？
• RQ2 超导体能谱中点节点的存在如何促进涡旋缺陷中马约拉纳零模的形成？
• RQ3 所提出的机制在不同超导配对对称性（单重态、三重态、混合）中的适用范围有多大？
• RQ4 该机制能否解释近期在超导体-磁性吸附原子体系中观测到的马约拉纳零模对？
• RQ5 在基于纳米线的平台中实现该机制的最低实验要求是什么？

主要发现

• 即使在缺乏传统拓扑超导性的条件下，也可在磁性纹理涡旋中诱导马约拉纳零模。
• 只要其体能谱中存在稳健的点节点，该机制在自旋单重态、三重态及混合对称性超导体中均具有鲁棒性。
• 磁性纹理中涡旋缺陷的存在为马约拉纳零模提供了类似 p 波超导体的拓扑保护机制。
• 该框架无需精细调节参数即可解释近期在超导体-磁性吸附原子体系中观测到的成对马约拉纳零模现象。
• 该方法为利用常规超导体和具有强 Rashba 自旋轨道耦合的纳米线开辟了新的实验平台。
• 零模局域在涡旋核心，且具有拓扑保护特性，支持非阿贝尔统计。