[论文解读] Revealing universal Majorana fractionalization using differential shot noise and conductance in nonequilibrium states controlled by tunneling phases

Sergey Smirnov|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 75被引用 30

一句话总结

本文表明，尽管微分散粒噪声和电导率本身对隧穿相位高度敏感，因而作为马约拉纳束缚态的指标不可靠，但当马约拉纳模式充分分离时，其比值表现出普遍性的分数值——提供了一种鲁棒的、相位无关的马约拉纳分数化探测方法。在高偏置电压下，该比值完全与隧穿相位无关，使得在最先进的实验中能够实现明确检测。

ABSTRACT

Universal fractionalization of quantum transport characteristics in Majorana quantum dot devices is expected to emerge for well separated Majorana bound states. We show that the Majorana universality of the differential shot noise $\partial S^>/\partial V$ and conductance $\partial I/\partial V$ at low bias voltages $V$ arises only in ideal setups with only one Majorana mode entangled with the quantum dot. In realistic devices, where both Majorana modes are entangled with the quantum dot, $\partial S^>/\partial V$ and $\partial I/\partial V$ become very sensitive to tunneling phases and their universal fractional values are hard to observe even for well separated Majorana bound states. In contrast, as revealed here, the ratio $(\partial S^>/\partial V)/(\partial I/\partial V)$ weakly depends on the tunneling phases and is fractional when the Majorana bound states are well separated or integer when they significantly overlap. Importantly, for very large $V$ we demonstrate that this ratio becomes fully independent of the tunneling phases and its universal fractional Majorana value may be observed in state-of-the-art experiments.

研究动机与目标

• 识别一种可靠且实验可测的可观测量，以揭示真实量子点装置中马约拉纳分数化现象。
• 解决微分散粒噪声和电导率对隧穿相位高度敏感的问题，从而掩盖了普遍性的马约拉纳特征。
• 证明微分散粒噪声与电导率的比值对隧穿相位依赖性微弱，并且在马约拉纳束缚态充分分离时表现出普遍性的分数值。
• 表明该比值在高偏置电压下完全与相位无关，从而可在当前实验平台中实现检测。
• 提供一种从输运可观测量中的共振结构中提取隧穿参数（包括相位）的实用方法。

提出的方法

• 该研究采用一个理论模型，即量子点与拓扑超导体两端耦合，从而在系统中形成两个马约拉纳束缚态。
• 采用Keldysh-Keldysh形式化方法，在非平衡条件下计算微分散粒噪声和电导率。
• 分析中考虑了隧穿相位 φ₁ 和 φ₂，这些相位可由制造工艺固定，或通过磁通外部调控。
• 通过数值模拟计算微分散粒噪声和电导率随偏置电压和隧穿相位的变化关系。
• 系统评估了在不同相位和电压区域下，比值 (∂S>/∂V)/(∂I/∂V) 的行为，以识别普遍性特征。
• 分析可观测量中的共振结构，以提取隧穿参数，包括相位信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有两个纠缠马约拉纳模式的真实器件中，微分散粒噪声和电导率能否作为马约拉纳分数化的可靠指标？
• RQ2 隧穿相位如何影响微分散粒噪声和电导率的普遍分数值？
• RQ3 微分散粒噪声与电导率的比值是否表现出相位无关的普遍分数化行为？
• RQ4 当偏置电压较高、相位依赖性消失时，该比值能否用于检测马约拉纳分数化？
• RQ5 可观测量中的共振结构能否用于提取所有隧穿参数，包括相位？

主要发现

• 当马约拉纳束缚态充分分离时，比值 (∂S>/∂V)/(∂I/∂V) 取分数值，表明存在普遍性的马约拉纳分数化。
• 当马约拉纳束缚态显著重叠时，该比值变为整数，对应于狄拉克费米子。
• 该比值对隧穿相位的依赖性微弱，使其即使在相位未知的情况下，也能作为马约拉纳物理的鲁棒探测工具。
• 在高偏置电压下，该比值完全与隧穿相位无关，从而可明确检测到普遍的分数值。
• 微分散粒噪声和电导率中的共振结构可用于提取所有隧穿参数，包括相位。
• 所提出的比值提供了一种实用且实验可实现的方法，可用于在当前一代器件中识别马约拉纳分数化。