近日，北京大学物理学院廖志敏课题组与荷兰屯特大学李川教授、南方科技大学俞大鹏院士等合作，在《物理评论快报》上发表题为“Topological Transition of Superconductivity in Dirac Semimetal Nanowire Josephson Junctions”的研究论文(Physical Review Letters 126, 027001 (2021))，实现了狄拉克半金属纳米线约瑟夫森结中拓扑超导相变的栅压调控。
随着人类社会全面进入信息技术时代，无论是日常生活还是科学研究对计算机的算力要求越来越高。利用量子力学原理构建的量子计算机能够显著提高计算算力，将为信息高效处理提供了一种更优质的平台。然而，构建通用量子计算机目前还存在许多技术问题，比如退相干：多个量子比特的纠缠极易受到环境噪声的破坏，导致保真度降低，计算错误几率增加。拓扑量子计算提供了一种退相干免疫的量子计算方式，拓扑量子比特在编码过程中可免于环境噪声的干扰，计算保真度大大提高。理论表明，马约拉纳零能模满足非阿贝尔任意子统计规律，是实现拓扑量子计算的最主要路径之一。而如何精准调控马约拉纳零能模的产生和消失是当前拓扑量子计算领域面临的一个重要挑战。
面对上述挑战，该科研团队长期开展了相关研究工作。近期，他们在狄拉克半金属纳米线体系中首次实现了马约拉纳零能模的门电压调控。通过调节门电压，控制纳米线表面量子限制效应的出现和消失，进而调控体系的拓扑性质。由于该体系中电子的平均自由程远大于空穴的平均自由程，当调节门电压使得体系由电子导电进入空穴导电时，纳米线表面由量子限制效应导致的子能带能隙会逐渐消失，出现拓扑非平庸的狄拉克型能带。基于这种门电压调控的拓扑相变，将s波超导体与纳米线近邻，可实现门电压调控的拓扑超导相变，同时伴随着马约拉纳零能模的产生和消失。与传统的半导体-超导体近邻体系相比，这种在狄拉克半金属纳米线中实现的马约拉纳零能模的门电压调控方法具有多重优势。该系统中马约拉纳零能模的产生不需要额外加磁场，这样用来近邻的超导体种类就大大增加；同时这里马约拉纳零能模可以在较大的门电压范围内稳定存在，不需要参数的精准调制，有利于将来实现规模化的拓扑量子比特。
图1：纳米线约瑟夫森结中场效应调控拓扑相变示意图。
这项工作展示了狄拉克半金属纳米线中拓扑超导相变的门电压调控，同时也为马约拉纳零能模以及拓扑量子比特的操纵提供了新思路。
南方科技大学博士后李彩珍与北京大学博士生王安琦是文章的共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心的支持。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.027001
