Physikforscher entdecken neue mehrfache Majorana-Nullmodi in supraleitendem SnTe

Ein gemeinsames Forschungsteam hat die weltweit ersten multiplen Majorana-Nullmodi (MZMs) in einem einzigen Wirbel des supraleitenden topologischen kristallinen Isolators SnTe identifiziert und die Kristallsymmetrie ausgenutzt, um die Kopplung zwischen den MZMs zu steuern.

Diese Entdeckung, veröffentlicht in Naturbietet einen neuen Weg zur Realisierung fehlertoleranter Quantencomputer. Das Team wurde von Prof. Junwei Liu, Associate Professor im Fachbereich Physik der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), sowie Prof. Jinfeng Jia und Prof. Yaoyi Li von der Shanghai Jiao Tong University (SJTU) geleitet.

MZM ist ein topologisch nichttriviales Quasiteilchen mit Nullenergie in einem Supraleiter, das nichtabelschen Statistiken gehorcht und inäquivalente Flechtsequenzen zulässt, obwohl die Gesamtzahl der Austauschvorgänge gleich ist. Dies steht im Gegensatz zu gewöhnlichen Teilchen wie Elektronen oder Photonen, bei denen unterschiedliche Flechtsequenzen immer zum gleichen Endzustand führen. Diese einzigartige Eigenschaft schützt MZMs vor lokalen Störungen und macht sie zu einer idealen Plattform für robuste, fehlertolerante Quantenberechnungen.

Obwohl bei der Entwicklung künstlicher topologischer Supraleiter erhebliche Fortschritte erzielt wurden, bleiben das Flechten und die Manipulation von MZMs aufgrund ihrer Trennung im Realraum, was die für die Hybridisierung notwendigen Bewegungen erschwert, äußerst anspruchsvoll.

Die neu veröffentlichte Arbeit, an der die theoretische Gruppe der HKUST und die experimentelle Gruppe der SJTU gemeinsam beteiligt waren, verfolgte einen völlig anderen Ansatz, indem sie die einzigartige Eigenschaft der durch die Kristallsymmetrie geschützten MZMs ausnutzte, um diese Engpässe zu beseitigen.

Sie demonstrierten zum ersten Mal die Existenz und Hybridisierung von durch magnetische Spiegelsymmetrie geschützten Mehrfach-MZMs in einem einzigen Wirbel des supraleitenden topologischen kristallinen Isolators SnTe. Dabei verwendeten sie kontrollierte Methoden, die keine reale Bewegung im Raum oder starke Magnetfelder erfordern, und nutzten ihre umfangreiche Erfahrung in der Niedertemperatur-Rastertunnelmikroskopie, dem hochwertigen Probenwachstum und theoretischen Simulationen im großen Maßstab.

Die experimentelle Gruppe an der SJTU beobachtete in der SnTe/Pb-Heterostruktur unter geneigten Magnetfeldern signifikante Veränderungen im Zero-Bias-Peak, einem starken Indikator für MZMs. Das theoretische Team der HKUST führte anschließend umfangreiche numerische Simulationen durch, um eindeutig nachzuweisen, dass die anisotropen Reaktionen auf geneigte Magnetfelder tatsächlich von kristallsymmetriegeschützten MZMs herrühren.

Mithilfe der Kernelpolynommethode konnten sie erfolgreich große Wirbelsysteme mit Hunderten von Millionen Orbitalen simulieren, was eine weitere Erforschung neuer Eigenschaften von Wirbelsystemen ermöglicht, die über die kristallsymmetriegeschützten MZMs hinausgehen. Die Forschung eröffnet neue Möglichkeiten für die Erkennung und Manipulation kristallsymmetriegeschützter Mehrfach-MZMs.

Ihre Erkenntnisse ebnen den Weg für den experimentellen Nachweis nichtabelscher Statistiken und die Konstruktion neuartiger topologischer Qubits und Quantengatter auf der Basis kristallsymmetriegeschützter Mehrfach-MZMs.