马约拉纳费米子被定义为与其反粒子相同的粒子,迄今尚未在粒子物理实验中被直接发现。不过,在部分固体体系中,集体激发形成的准粒子可呈现与马约拉纳费米子相似的行为,因此成为凝聚态物理的重要研究对象。
除基础科学意义外,马约拉纳相关态也因在容错量子计算等应用中的潜在价值而受到关注。描述这类现象的常用理论框架之一是Kitaev线模型:一维超导链在特定条件下可在两端产生孤立的马约拉纳模式,并且不改变体系总能量。现实实验中,基于半导体纳米线与量子点耦合超导体的短Kitaev线已被实现;而更长的Kitaev链则常被用作构建具拓扑保护的拓扑量子比特的概念基础。

发表在《物理学杂志:凝聚态物理》的一项“专题综述”研究选择了不同路径:研究并未强调长链带来的拓扑屏蔽,而是转向评估短链结构的可用性。该研究由巴西圣保罗州立大学伊利亚索尔特拉校区物理与化学系团队在Antonio Carlos Ferreira Seridonio教授指导下完成。
研究采用的对象是由两个量子点通过一段超导体耦合构成的最小链。Seridonio指出,与长Kitaev线不同,在这一最小结构中,两个马约拉纳模式只有在非常特定的系统配置下才分别位于链的两端;在其他配置中,它们可能发生重叠、分布在两个量子点之间,甚至会因量子点电势的微小变化而消失。由于对局部扰动高度敏感,该体系不具备拓扑保护。

研究团队认为,这种“脆弱性”反而可被用作器件优势:与其将其用于构建抵御局部扰动的量子计算屏障,不如将其作为探测工具。Seridonio表示,器件对局部扰动的敏感性会在能谱上留下特征,而这些特征可通过电导测量直接记录。
在相关文献中,这类包含最小Kitaev链且马约拉纳态缺乏拓扑保护的配置常被称为“穷人的马约拉纳”(Poor Man’s Majorana),并被简称为PMM。该研究重点讨论所谓“溢出现象”,即马约拉纳模式的波函数在局部扰动下从一个量子点“溢出”到另一个量子点。传统观点往往将溢出视为由电势变化引起的不利效应,但研究提出可通过与邻近量子自旋的磁耦合来受控诱导溢出。

研究给出的理论描述是:量子点附近的外部自旋S带来的磁势扰动,会通过外部自旋与量子点电子自旋之间的J交换耦合,引发PMM波函数向邻近量子点的溢出。研究称,最关键的结果在于:溢出所对应的光谱结构会直接依赖于扰动自旋的量子性质。
研究进一步指出,在理想超导体中存在禁止电子态的能隙,但杂质、磁耦合与量子限制等因素可使能隙内出现离散能级,即“能隙下能级”。在该模型中,基础系统(含PMM的最小链)具有两个零能量PMM模式,分别位于链两端量子点;当外部自旋通过J交换耦合与量子点自旋相互作用后,除零能量模式外,能隙内还会出现多个离散能级。

这些能级的数量取决于外部自旋S的取值及其统计性质。研究据此提出,能隙下能级的模式与数量可作为光谱特征,用于揭示耦合磁性物体的量子属性:能隙下能级的数量可指示S自旋粒子遵循费米统计还是玻色统计。Seridonio给出的结论是:对于半整数自旋(费米子),出现2S+1个态;对于整数自旋(玻色子),出现2S+2个态。因此,该最小量子点链在理论上可作为光谱探针,识别邻近磁性物体遵循费米统计或玻色统计。
研究作者同时强调,该理论装置与实验室已实现的架构具有较高对应性。近期实验已利用铟锑(InSb)半导体纳米线以及由静电栅定义的量子点演示最小Kitaev链,并在参数可连续调控的平台上观察到与PMM态形成一致的零能量电导峰。
在将量子点与多个金属储层的耦合纳入模型(输运实验中的典型情形)后,研究还得到另一项结论:环境并非只会破坏马约拉纳态,反而可能在一定程度上稳定它们,研究将其称为“环境诱导保护”。Seridonio以“拔河”作比喻称,如果受磁影响的量子点与端点耦合更强,PMM波函数会被限制,从而抑制溢出。研究同时指出,这种稳定并非拓扑性质、也非绝对,仅在特定参数范围内成立。
研究在讨论中提到,真正的拓扑马约拉纳态因可将量子信息编码在全局费米子奇偶性中,仍被视为稳健量子比特的候选;PMM不具备完全保护,但在直接操控、初始化与读取量子态,以及纠缠与融合操作方面具有实用性,尽管保真度有限。
研究还回顾了“编织”和“融合”的概念:编织指准粒子交换位置并以受控方式改变系统全局量子态;融合则通过将两个激发靠近并合并,以其结果揭示存储在奇偶性中的量子信息。研究据此提出,即便在理想拓扑平台尚未实现之前,非理想系统也可能具备可利用价值,并强调可将缺乏拓扑保护视为实验工具而非单纯缺陷。
