Resumen:
Los nanocables de Majorana, cuasipartículas exóticas que se prevé que surgirán en ciertas estructuras híbridas de semiconductores y superconductores, son inmensamente prometedores para realizar la computación cuántica topológica. Sin embargo, su realización experimental sigue siendo un desafío debido a varios mecanismos de decoherencia que pueden destruir sus frágiles estados cuánticos. Entre estas fuentes de decoherencia, la interacción espín-órbita (SOI) es particularmente relevante ya que puede mezclar los grados de libertad de espín y carga de los modos Majorana.
En este estudio, investigamos el impacto de SOI en la robustez de los nanocables Majorana. Construimos un modelo teórico que captura la interacción entre SOI, superconductividad y desorden, y analizamos el diagrama de fase topológico resultante. Nuestros hallazgos revelan que SOI de hecho puede ser perjudicial para el estado de Majorana, pero sólo bajo condiciones específicas. En particular, identificamos un régimen de parámetros donde SOI juega un papel protector, estabilizando el estado de Majorana contra ciertos tipos de desorden.
Proporcionamos información física sobre este fenómeno mediante el análisis de los mecanismos microscópicos subyacentes. Mostramos que SOI puede inducir un campo magnético efectivo que contrarresta los efectos perjudiciales del desorden, preservando las propiedades topológicas del nanocables Majorana. Nuestros resultados arrojan luz sobre la compleja interacción entre SOI y otras fuentes de decoherencia en los nanocables de Majorana y ofrecen pautas para optimizar el diseño y la fabricación de estos prometedores sistemas cuánticos topológicos.
Introducción:
Los fermiones de Majorana son cuasipartículas que obedecen a estadísticas no abelianas, lo que las convierte en candidatos prometedores para realizar la computación cuántica topológica. Una plataforma prometedora para realizar fermiones de Majorana son los nanocables híbridos semiconductores-superconductores, donde la interacción de la superconductividad y la fuerte interacción espín-órbita puede dar lugar a la formación de estados ligados de Majorana en los extremos del cable.
Sin embargo, la realización experimental de los nanocables de Majorana enfrenta varios desafíos, uno de los cuales es el efecto perjudicial del desorden. El desorden puede introducir variaciones locales en la superconductividad y la interacción espín-órbita, lo que puede alterar las propiedades topológicas de los estados de Majorana. Por lo tanto, comprender el impacto del desorden en los nanocables de Majorana es crucial para su realización exitosa.
Modelo Teórico:
Para investigar el impacto del desorden en los nanocables de Majorana, construimos un modelo teórico basado en el formalismo de Bogoliubov-de Gennes (BdG). El hamiltoniano BdG incluye términos para el emparejamiento superconductor, la interacción espín-órbita y el potencial de desorden. Consideramos un nanocables desordenado con una brecha superconductora que fluctúa aleatoriamente y una fuerza de interacción entre giro y órbita.
Diagrama de fases topológicas:
Analizamos las propiedades topológicas del nanocable de Majorana calculando el invariante topológico, que distingue entre fases topológicamente triviales y no triviales. El diagrama de fase topológico, obtenido variando la intensidad del desorden y la intensidad de la interacción espín-órbita, revela las condiciones bajo las cuales el estado de Majorana es estable.
Función protectora de la interacción giro-órbita:
Nuestros hallazgos demuestran que la interacción espín-órbita puede desempeñar un papel protector en la estabilización del estado de Majorana contra ciertos tipos de trastornos. En particular, identificamos un régimen de parámetros donde el estado de Majorana permanece topológicamente protegido incluso en presencia de un fuerte desorden. Este efecto protector surge de la interacción entre la interacción espín-órbita y el desorden, que induce un campo magnético eficaz que contrarresta los efectos perjudiciales del desorden.
Conclusión:
En conclusión, nuestro estudio aclara la compleja interacción entre la interacción espín-órbita y el desorden en los nanocables de Majorana. Identificamos un régimen de parámetros donde la interacción espín-órbita puede estabilizar el estado de Majorana contra ciertos tipos de desorden, proporcionando información valiosa para optimizar el diseño y la fabricación de estos prometedores sistemas cuánticos topológicos. Nuestros hallazgos pueden contribuir a los esfuerzos en curso hacia la realización de nanocables de Majorana para la computación cuántica topológica.
