馬約拉納費(fèi)米子-量子點(diǎn)雜化系統(tǒng)輸運(yùn)性質(zhì)的研究

毛 祥, 吳紹全

(四川師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院， 四川 成都 610101)

馬約拉納費(fèi)米子-量子點(diǎn)雜化系統(tǒng)輸運(yùn)性質(zhì)的研究

毛 祥, 吳紹全*

(四川師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院， 四川 成都 610101)

從理論上研究馬約拉納費(fèi)米子-量子點(diǎn)雜化系統(tǒng)的輸運(yùn)性質(zhì).基于廣義主方程方法,計(jì)算通過此系統(tǒng)的電流、微分電導(dǎo)和Fano因子.計(jì)算結(jié)果表明:馬約拉納費(fèi)米子與量子點(diǎn)中電子的耦合導(dǎo)致系統(tǒng)的零偏置反常,而2個(gè)馬約拉納費(fèi)米子的耦合壓制系統(tǒng)的零偏置反常.

馬約拉納費(fèi)米子； 零偏置反常； 主方程方法； 微分電導(dǎo)； Fano因子

在最近幾年，針對(duì)拓?fù)涑瑢?dǎo)體的研究已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理中非常熱門的課題[1-4],其主要原因之一是理論研究表明拓?fù)涑瑢?dǎo)體中的含有馬約拉納費(fèi)米子.馬約拉納費(fèi)米子滿足非阿貝爾交換統(tǒng)計(jì)[5-9],其主要特征就是它的反粒子是它自己本身,即如果γ為馬約拉納費(fèi)米子的消滅算子,則有γ=γ+,這使得該粒子不受退相干的影響,這在拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)中有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值[10-11].此外,在分?jǐn)?shù)量子霍爾系統(tǒng)、P-波超導(dǎo)體半量子渦旋、摻雜拓?fù)浣^緣體中超導(dǎo)渦旋的兩端等都存在馬約拉納費(fèi)米子.目前,大量的理論研究已經(jīng)提出了如何在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體[12-23],許多探測馬約拉納費(fèi)米子的儀器已在實(shí)驗(yàn)室中制造出來了,并已初步探測到了馬約拉納費(fèi)米子存在的信息[24-32].在這些信息中,最為引人關(guān)注的一個(gè)實(shí)驗(yàn)探測是把一根半導(dǎo)體量子線與一個(gè)超導(dǎo)體接觸,由于近鄰效應(yīng),這根半導(dǎo)體量子線帶有超導(dǎo)性；再把它與一根金屬線組成一個(gè)雜化系統(tǒng),在這個(gè)系統(tǒng)中探測到了一個(gè)電導(dǎo)的零偏置常峰作為馬約拉納費(fèi)米子存在的證據(jù)[24-26].

拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是不受退相干的影響,且計(jì)算的基礎(chǔ)是由成對(duì)的馬約拉納費(fèi)米子構(gòu)成.每對(duì)馬約拉納費(fèi)米子在空間中都是分離的,每個(gè)馬約拉納費(fèi)米子只與另一個(gè)馬約拉納費(fèi)米子耦合成對(duì),由此形成一個(gè)費(fèi)米能級(jí)，能級(jí)的占據(jù)數(shù)可以編碼為一個(gè)量子比特，這種非局域的拓?fù)淞孔颖忍夭皇芫钟虻奈_的影響.然而基于同樣的原因，要轉(zhuǎn)移和讀出拓?fù)鋺B(tài)的信息同樣是一個(gè)大的挑戰(zhàn).現(xiàn)在已經(jīng)有人建議用馬約拉納費(fèi)米子-量子點(diǎn)雜化系統(tǒng)作為解決這個(gè)問題的途徑之一[33].各種不同的馬約拉納費(fèi)米子-量子點(diǎn)雜化系統(tǒng)[26-33]被提出來的目的是探測馬約拉納費(fèi)米子、調(diào)整非局域關(guān)聯(lián)、估計(jì)壽命、消除無序的影響.因此，研究馬約拉納費(fèi)米子-量子點(diǎn)雜化系統(tǒng)的輸運(yùn)性質(zhì)是重要的.

本文基于廣義主方程方法研究了馬約拉納費(fèi)米子-量子點(diǎn)雜化系統(tǒng)的輸運(yùn)性質(zhì)，研究結(jié)果表明：馬約拉納費(fèi)米子與量子點(diǎn)中電子的耦合Tm消除了系統(tǒng)的四重簡并，但維持了系統(tǒng)4個(gè)雙重簡并，而雙重簡并的基態(tài)隨偏壓的增加而負(fù)增長，由此導(dǎo)致系統(tǒng)的零偏置反常；庫侖相互作用僅僅增加了系統(tǒng)量子態(tài)|e4〉和|o4〉的能量,因而增加了電流臺(tái)階,但庫侖相互作用不會(huì)改變系統(tǒng)量子態(tài)的簡并度,也不會(huì)壓制零偏置反常現(xiàn)象.而2個(gè)馬約拉納費(fèi)米子的耦合壓制了系統(tǒng)的零偏置反常,并消除了基態(tài)和最高能態(tài)的雙重簡并，但維持了2個(gè)中間能態(tài)的簡并.

本文所研究的系統(tǒng)(系統(tǒng)模型如圖1)可用一個(gè)與馬約拉納費(fèi)米子相耦合的單量子點(diǎn)安德森模型描述[33-34].哈密頓量H=Hlead+HQD+Htunnel,3個(gè)分量分別為:

圖 1 系統(tǒng)模型

Htunnel是導(dǎo)體與量子點(diǎn)之間的隧穿耦合，其耦合強(qiáng)度可以用其固有線性寬度來表示，用公式可表示成Γiσ=2π|ti|2ρiσ,，ti指的是量子點(diǎn)與左右兩端導(dǎo)體的隧穿矩陣元，而ρiσ指的是對(duì)應(yīng)導(dǎo)體中的電子態(tài)密度.

在主方程近似下,與馬約拉納費(fèi)米子耦合的單量子點(diǎn)系統(tǒng)共有8個(gè)量子態(tài)，分別為：|0,0〉、|↑,0〉、|↓,0〉、|0,1〉、|↑,1〉、|↓,1〉、|↑↓,0〉、|↑↓,1〉；但這8個(gè)量子態(tài)不是HQD的本征態(tài),通過久期方程,可以得到該哈密頓量的本征值和本征能量如表1所示.

表 1 系統(tǒng)本征態(tài)和能量

表1中各式的參數(shù)為：

b1=-(Ed+Em+a1)， b2=-(Ed+Em-a1)，

b3=-(Ed-Em+U+a2)， b4=-(Ed-Em+U-a2)，

b5=-(Em-Ed+a3)， b6=-(Em-Ed-a3)，

b7=-(Ed+Em+U+a4)， b8=-(Ed+Em+U-a4)，

Ee1=(Ed-a1)/2, Ee2=(Ed+a1)/2,

Ee3=(3Ed+U-a2)/2, Ee4=(3Ed+U+a2)/2,

Eo1=(Ed-a3)/2, Eo2=(Ed+a3)/2,

Eo3=(3Ed+U-a4)/2, Eo4=(3Ed+U+a4)/2.

本文主要研究量子點(diǎn)與電極處于弱耦合時(shí)的輸運(yùn)性質(zhì)，選擇Γiσ

(2)

其中W是一個(gè)矩陣,與隧穿進(jìn)程相關(guān).約化密度算子在系統(tǒng)量子態(tài)中的矩陣元ρx1x2=〈x1|ρ|x2〉,其中x1和x2是雙量子點(diǎn)系統(tǒng)的本征態(tài).當(dāng)x1=x2=x時(shí),密度矩陣的對(duì)角元ρx1x2代表了雙量子點(diǎn)系統(tǒng)處于x態(tài)的概率,所表征的意思是在量子點(diǎn)系統(tǒng)中可以探測到量子態(tài)x出現(xiàn)的幾率的大小.

(3a)

在方程3(a)和3(b)中,p=+、-描述了在電子躍遷時(shí)電子的流向,+表示電子流向?yàn)榱魅肓孔狱c(diǎn),-表示電子流向?yàn)榱鞒隽孔狱c(diǎn).當(dāng)量子態(tài)通過正交化處理后,矩陣W只包含對(duì)角元,

(4a)

在定態(tài)的情況下,系統(tǒng)各個(gè)占有態(tài)出現(xiàn)的幾率是穩(wěn)定的,滿足一般主方程

(5)

通過使用歸一化條件,求解8個(gè)方程組成的線性齊次方程組,可得到約化密度矩陣的各個(gè)矩陣元.將約化密度矩陣元素代入(6)式便可得到通過系統(tǒng)的電流

(6)其微分電導(dǎo)由di=dIi/dU計(jì)算.此外，電流實(shí)際上是由大量單個(gè)電子單獨(dú)作用的總結(jié)果,而每個(gè)電子

可以認(rèn)為是隨機(jī)獨(dú)立出現(xiàn)的,所以電子形成的電流并不是固定不變的，而是在一個(gè)平均值上起伏變化，散粒噪聲就是反映電流這種起伏變化大小的量，因此散粒噪聲可以為提供電流所不能提供的有關(guān)電子輸運(yùn)的額外信息.計(jì)算散粒噪聲[36]的標(biāo)準(zhǔn)公式為

(7)

在主方程近似下，零頻散粒噪聲[32-33]的計(jì)算公式可表示為

(8)

ρxx〈x′|-Ii|x〉ρx′x′〈x|]=0.

(9)

計(jì)算中一些具體參數(shù)取值：T=0.01,ΓL=ΓR=Γ0=0.005,Ed=0.3,和I0=2πeΓ0/h,所有參數(shù)都以Γ0作為能量單位.

首先討論Em=0,U=0的情況,圖2展示了通過量子點(diǎn)的電流、微分電導(dǎo)和Fano因子隨偏壓變化的情況，而圖3展示了量子態(tài)能量隨Tm變化的情況.

圖 2 在Em=0和U=0時(shí)，通過系統(tǒng)的電流、微分電導(dǎo)和Fano因子隨電壓的變化曲線

圖 3 系統(tǒng)各量子態(tài)的能量隨Tm變化的曲線

當(dāng)Tm=0的時(shí)候，從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在U<2Ed時(shí)，由于偏壓沒有達(dá)到閾值電壓，量子點(diǎn)是空的和電流被阻塞.隨著偏壓的增加接近閾值電壓時(shí)，系統(tǒng)的量子態(tài)開始由態(tài)|e1〉和|o1〉向態(tài)|e2〉、|e3〉、|e4〉、|o2〉、|o3〉和|o4〉躍遷，使得通過系統(tǒng)的序貫電流開始單調(diào)地增加，并最終到達(dá)一個(gè)平臺(tái),并在U=2Ed=0.6 V處,其微分電導(dǎo)的變化曲線上出現(xiàn)的一個(gè)波峰.在U<2Ed時(shí)，F(xiàn)ano因子大于1，這種超泊松噪聲的現(xiàn)象是由于偏壓小于閾值電壓，電子的隧穿受到壓制所致;當(dāng)U

漲落導(dǎo)致Fano因子開始趨于發(fā)散;而在U>2Ed時(shí)，F(xiàn)ano因子小于1(泊松噪聲)但大于0.5(雙勢壘噪聲).從圖3的能級(jí)圖可以看到，此時(shí)量子態(tài)|e1〉與|o1〉和量子態(tài)|o3〉與|o4〉為二重簡并,而|e2〉、|e3〉、|o2〉和|o3〉為四重簡并.當(dāng)Tm≠0時(shí),情況起了變化,原來四重簡并的量子態(tài)|e2〉、|e3〉、|o2〉和|o3〉分裂成了|e2〉與|o2〉和|e3〉與|o3〉的二重簡并,Ee2和Eo2與Ee4和Eo4一樣，其值隨Tm的增加而增加;但Ee3和Eo3隨Tm的增加而減少，這導(dǎo)致電流線型呈現(xiàn)出多臺(tái)階.尤其值得注意的是，Ee1和Eo1隨Tm的增加而負(fù)增長，這導(dǎo)致在偏壓為零時(shí)電子隧穿就開始出現(xiàn)了，這就是著名的零偏置反?，F(xiàn)象.微分電導(dǎo)在電流線型中每個(gè)臺(tái)階處都出現(xiàn)了一個(gè)波峰，而Fano因子在U<2Ed時(shí)等于1，為泊松噪聲，并在U=0.6 V處出現(xiàn)了一個(gè)峰值大于1的波峰，這是由于在偏壓達(dá)到閾值電壓時(shí)打開了一個(gè)新的電子隧穿通道,導(dǎo)致電流有大的漲落.從圖3還可以看到，隨著偏壓的增加，每打開一個(gè)電子隧穿通道都會(huì)導(dǎo)致Fano因子出現(xiàn)一個(gè)波峰.在Tm的增加過程中,整個(gè)系統(tǒng)保持偶宇稱量子態(tài)與奇宇稱量子態(tài)一對(duì)一的雙重簡并,既Tm的出現(xiàn)消除了系統(tǒng)的四重簡并,但保持了系統(tǒng)的雙重簡并,導(dǎo)致零偏置反常現(xiàn)象的出現(xiàn).

圖 4 在Em=0和U=0.3 V時(shí)，通過系統(tǒng)的電流、微分電導(dǎo)和Fano因子隨電壓的變化曲線

圖4展示了當(dāng)Em=0,U=0.3 V時(shí)通過量子點(diǎn)的電流、微分電導(dǎo)和Fano因子隨偏壓變化的情況.可以看到,在Tm=0時(shí),庫侖相互作用增加了量子態(tài)|e4〉和|o4〉的能量,也就增加了量子點(diǎn)通過這2個(gè)量子態(tài)隧穿的閾值電壓,導(dǎo)致電流線型呈現(xiàn)出2個(gè)臺(tái)階,分別對(duì)應(yīng)2個(gè)閾值電壓U=0.6和1.2 V,伴隨每個(gè)電流臺(tái)階的出現(xiàn)都會(huì)在微分電導(dǎo)和Fano因子線型中留下一個(gè)波峰,標(biāo)志著電子隧穿通道的打開所引起電流的漲落.與圖2一樣,隨著Tm的出現(xiàn),不僅導(dǎo)致零偏置反?，F(xiàn)象,也使四重簡并量子態(tài)|e2〉、|e3〉、|o2〉和|o3〉的退化為二重簡并,使得電流線型最后呈現(xiàn)出4個(gè)臺(tái)階,伴隨電流線型中每個(gè)臺(tái)階處的出現(xiàn)都會(huì)導(dǎo)致在微分電導(dǎo)和Fano因子線型中出現(xiàn)一個(gè)波峰,所以庫侖相互作用僅僅增加了量子態(tài)|e4〉和|o4〉的能量,因而增加了電流臺(tái)階,但庫侖相互作用不會(huì)影響系統(tǒng)量子態(tài)的簡并度,也不會(huì)壓制零偏置反?，F(xiàn)象.

圖 5 在Em=0.2和U=0時(shí)，通過系統(tǒng)的電流、微分電導(dǎo)和Fano因子隨電壓的變化曲線

在Em=0.2,U=0時(shí),圖5展示了通過量子點(diǎn)的電流、微分電導(dǎo)及Fano因子隨偏壓變化的情況，而圖6展示了量子態(tài)能量隨Tm變化的情況.從圖5中可以看到:原來二重簡并的量子態(tài)|e1〉與|o1〉和|o3〉與|o4〉分裂了,而原來四重簡并的量子態(tài)|e2〉、|e3〉、|o2〉和|o3〉分裂為|e2〉與|e3〉和|o2〉與|o3〉的二重簡并,如此系統(tǒng)形成了4個(gè)激發(fā)態(tài).特別是分裂后的量子態(tài)|e1〉的能量小于零,而量子態(tài)|o1〉的能量大于零,Em導(dǎo)致系統(tǒng)量子態(tài)能級(jí)的這種分裂顯著地改變了系統(tǒng)的輸運(yùn)性質(zhì).首先討論Tm=0的情況.從圖6中可以清楚地看到:電流、微分電導(dǎo)和Fano因子隨偏壓變化的情況與Em=0和U=0時(shí)的情況是一樣的,這說明單獨(dú)Em的出

圖 6 系統(tǒng)各量子態(tài)的能量隨Tm變化的曲線

Fig. 6 The eigenenergies of quantum states of the system as a function ofTm

現(xiàn)不會(huì)影響量子點(diǎn)的輸運(yùn)性質(zhì).這很好理解,因?yàn)檫@時(shí)量子點(diǎn)與P-波超導(dǎo)體退藕.然而當(dāng)Tm≠0的時(shí)候情況有了很大地不同.隨Tm的增加,由于Em消除了系統(tǒng)的能級(jí)簡并,形成了4個(gè)激發(fā)態(tài),出現(xiàn)了4個(gè)閾值電壓,控制著4個(gè)電子隧穿通道,隨著偏壓的增加,4個(gè)電子隧穿通道依次被打開,最后導(dǎo)致電流線型隨偏壓的變化出現(xiàn)了4個(gè)臺(tái)階,每個(gè)臺(tái)階的出現(xiàn)都會(huì)在微分電導(dǎo)和Fano因子的線型中留下一個(gè)波峰.特別是由于Em消除了基態(tài)能級(jí)Ee1和Eo1的簡并,并且Ee1<0而Eo1>0,這導(dǎo)致零偏置反常消失了.此外在偏壓小于閾值電壓的阻塞區(qū),Fano因子大于1,系統(tǒng)出現(xiàn)由于電子隧穿受到阻塞而導(dǎo)致的超泊松噪聲現(xiàn)象,一旦打開一個(gè)電子隧穿通道,Fano因子迅速降為一,系統(tǒng)進(jìn)入泊松噪聲.這點(diǎn)與Em=0似的情況不一樣,在那里由于Tm≠0時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)零偏置反常,所以一旦Tm≠0,Fano因子迅速降為一,系統(tǒng)進(jìn)入泊松噪聲.

圖7展示了在Em=0.2,U=0.3 V時(shí),通過量子點(diǎn)的電流、微分電導(dǎo)及Fano因子隨偏壓變化的情況，此時(shí)的情況與Em=0.2,U=0時(shí)稍有不同的是在Tm=0時(shí),由于庫侖相互作用的出現(xiàn),增加了雙占據(jù)態(tài)的能量,導(dǎo)致電流線型隨偏壓的變化出現(xiàn)了2個(gè)臺(tái)階.但隨著Tm的增加,其能級(jí)分裂情況與在Em=0.2,U=0時(shí)能級(jí)分裂情況是一樣的,電流線型隨偏壓的變化最后演變出了4個(gè)臺(tái)階,而微分電導(dǎo)和Fano因子隨偏壓變化的線型在2種取值條件下也是一樣的,這說明當(dāng)Em和Tm都不為零時(shí),庫侖相互作用U對(duì)量子點(diǎn)輸運(yùn)性質(zhì)沒有影響.

圖 7 在Em=0.2和U=0.3 V時(shí)，通過系統(tǒng)的電流、微分電導(dǎo)和Fano因子隨電壓的變化曲線

本文研究了馬約拉納費(fèi)米子-量子點(diǎn)雜化系統(tǒng)的輸運(yùn)性質(zhì)，研究結(jié)果表明:馬約拉納費(fèi)米子與量子點(diǎn)中電子的耦合Tm導(dǎo)致了系統(tǒng)的零偏置反常，并消除了系統(tǒng)的四重簡并,使系統(tǒng)變成了4個(gè)雙重簡并.庫侖相互作用僅僅增加了系統(tǒng)量子態(tài)|e4〉和|o4〉的能量,因而增加了電流臺(tái)階,但庫侖相互作用不會(huì)改變系統(tǒng)量子態(tài)的簡并度,也不會(huì)壓制零偏置反常現(xiàn)象.而2個(gè)馬約拉納費(fèi)米子的耦合壓制了系統(tǒng)的零偏置反常,并消除了基態(tài)和最高能態(tài)的雙重簡并，但維持了2個(gè)中間能態(tài)的簡并.該系統(tǒng)的這些性質(zhì)在量子器件開發(fā)和拓?fù)淞孔佑?jì)算開發(fā)等方面有重要的意義.

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(編輯 余 毅)

The Study of the Transport Properties of the Majorana Fermion-quantum Dot Hybrid System

MAO Xiang WU Shaoquan

(CollegeofPhysicsandElectronicEngineering,SichuanNormalUniversity,Chengdu610101,Sichuan)

We theoretically investigate the effect of the Majorana fermion on the transport properties through quantum dot hybrid system. With the framework of the generalized master equation method, we analyze the current through system, differential conductance and Fano factor as a function of bias. Our results reveal that the coupling of the Majorana fermion and electrons on the quantum dot can lead to a zero-bias anomaly, while the coupling of the two Majorana fermion inhibits the zero-bias anomaly, and relevant underlying physics problems is discussed.

the Majorana fermion; zero-bias anomaly; master equation method; differential conductance; Fano factor

2016-10-16

四川省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)科研基金(12ZA132)和四川省高?？蒲袆?chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃基金(12TD008)

O482.5

A

1001-8395(2017)04-0503-08

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.04.013

*通信作者簡介： 吳紹全(1963—)，男，教授，主要從事介觀物理的研究，E-mail：2963434972@qq.com