В Черноголовке прокладывают новый путь к "майоране"

Сотрудники базовой кафедры физики конденсированных сред факультета физики НИУ ВШЭ экспериментально продемонстрировали возможность существования майорановских мод

Майорановские нулевые моды — это особые нелокальные состояния квазичастиц, которые можно реализовать в очень специальных условиях при низкой температуре. Со своей неабелевской статистикой и устойчивостью к внешним помехам эти состояния, предсказанные Алексеем Китаевым еще 20 лет назад, могли бы стать основой нового типа квантового компьютера – топологически защищенного. Несмотря на уже десятилетней давности предсказания о наличии таких мод в нанопроволоках с сильной спин-орбитальной связью и наведенной сверхпроводимостью весьма интенсивные поиски привели к настоящему технологическому прорыву, но все же пока не увенчались успехом. Во многом это связано с тем, что так называемые «майораны» не обладают ни зарядом, ни спином, а их ключевое свойство - нелокальность - сложно продемонстрировать привычными экспериментальными методами.

Исследователи из института физики твердого тела РАН им. Ю.А. Осипьяна в Черноголовке - базовой организации факультета физики НИУ ВШЭ - Вадим Храпай, Евгений Тихонов и аспирантка Школы по физике ВШЭ Елена Шпагина со своими коллегами из Принстона, Сколтеха и немецкого Института Вальтера Шоттки предлагают совершенно новый путь исследования нелокальности в нанопроволоках индий-мышьяк. Обычно нелокальный эксперимент состоит в детектировании электрических сигналов, вызванных квазичастицами, распространяющимися вдоль нанопроволоки, минуя сверхпроводник. Однако вместе с исследованием напряжений и токов российские ученые впервые смогли измерить и их спонтанные флуктуации. Оказывается, такие флуктуации, а попросту — шум, не малы, даже если средний сигнал равен нулю и содержат ценнейшую информацию о тепловом потоке квазичастиц. Экспериментальная часть этой работы опубликована в журнале Semiconductor Science and Technology [1], где авторам удалось продемонстрировать практически полное разделение потоков заряда и тепла в нелокальном отклике (см. рисунок).

По аналогии с предсказаниями для «майоран», средний заряд квазичастиц оказался в сто раз меньше элементарного заряда, а величина теплопроводности близкой к квантованному значению. Последующее теоретическое исследование, опубликованное в журнале Physical Review B [2], подтверждает правильность экспериментальной идеи и обобщает ее на случай микроскопического сверхпроводящего островка в центре нанопроволоки. В этой работе авторы показывают, что даже временное разделение потоков тепла и заряда, протекающих немного разными путями через островок, оставляет заметный отпечаток в шумовом отклике и дает новую надежду для поиска майорановских мод.

Независимо от успеха или неудачи «мировой майорановской лихорадки» работа наших российских коллег-физиков примечательна своей идеей, она как бы говорит - «если стрелка вашего прибора безвольно болтается около ноля, не отчаивайтесь, возможно в этих колебаниях скрыт глубокий смысл!»

Работы в ИФТТ РАН поддержаны Российским Научным Фондом.

[1] A.O. Denisov et al., Semicond. Sci. Technol. 36 09LT04 (2021)
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6641/ac187b

[2] A.V. Bubis et al., Phys. Rev. B 104, 125409 (2021)
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.104.125409