Résumé :

Les nanofils de Majorana, quasi-particules exotiques qui devraient émerger dans certaines structures hybrides semi-conducteurs-supraconducteurs, sont extrêmement prometteurs pour la réalisation de l'informatique quantique topologique. Cependant, leur réalisation expérimentale reste difficile en raison de divers mécanismes de décohérence qui peuvent détruire leurs états quantiques fragiles. Parmi ces sources de décohérence, l’interaction spin-orbite (SOI) est particulièrement pertinente car elle peut mélanger les degrés de liberté de spin et de charge des modes Majorana.

Dans cette étude, nous étudions l'impact du SOI sur la robustesse des nanofils Majorana. Nous construisons un modèle théorique qui capture l'interaction entre le SOI, la supraconductivité et le désordre, et analysons le diagramme de phases topologique qui en résulte. Nos résultats révèlent que le SOI peut effectivement être préjudiciable à l’État de Majorana, mais seulement dans des conditions spécifiques. En particulier, nous identifions un régime paramétrique dans lequel le SOI joue un rôle protecteur, stabilisant l'état de Majorana contre certains types de troubles.

Nous fournissons un aperçu physique de ce phénomène en analysant les mécanismes microscopiques sous-jacents. Nous montrons que le SOI peut induire un champ magnétique efficace qui neutralise les effets néfastes du désordre, préservant ainsi les propriétés topologiques du nanofil Majorana. Nos résultats mettent en lumière l'interaction complexe entre le SOI et d'autres sources de décohérence dans les nanofils de Majorana et proposent des lignes directrices pour optimiser la conception et la fabrication de ces systèmes quantiques topologiques prometteurs.

Présentation :

Les fermions de Majorana sont des quasiparticules qui obéissent à des statistiques non abéliennes, ce qui en fait des candidats prometteurs pour la réalisation de l'informatique quantique topologique. Les nanofils hybrides semi-conducteurs-supraconducteurs constituent une plate-forme prometteuse pour la réalisation des fermions de Majorana, où l'interaction de la supraconductivité et d'une forte interaction spin-orbite peut donner lieu à la formation d'états liés de Majorana aux extrémités du fil.

Cependant, la réalisation expérimentale des nanofils Majorana se heurte à plusieurs défis, dont l'un est l'effet néfaste du désordre. Le désordre peut introduire des variations locales dans la supraconductivité et l’interaction spin-orbite, ce qui peut perturber les propriétés topologiques des états de Majorana. Comprendre l'impact du désordre sur les nanofils de Majorana est donc crucial pour leur réalisation réussie.

Modèle théorique :

Pour étudier l'impact du désordre sur les nanofils de Majorana, nous construisons un modèle théorique basé sur le formalisme de Bogoliubov-de Gennes (BdG). L'hamiltonien BdG comprend des termes pour l'appariement supraconducteur, l'interaction spin-orbite et le potentiel de désordre. Nous considérons un nanofil désordonné avec un espace supraconducteur fluctuant de manière aléatoire et une force d'interaction spin-orbite.

Diagramme des phases topologiques :

Nous analysons les propriétés topologiques du nanofil Majorana en calculant l'invariant topologique, qui fait la distinction entre les phases topologiquement triviales et non triviales. Le diagramme de phase topologique, obtenu en faisant varier la force du désordre et la force de l'interaction spin-orbite, révèle les conditions dans lesquelles l'état de Majorana est stable.

Rôle protecteur de l'interaction spin-orbite :

Nos résultats démontrent que l'interaction spin-orbite peut jouer un rôle protecteur dans la stabilisation de l'état de Majorana contre certains types de troubles. En particulier, nous identifions un régime paramétrique dans lequel l'état de Majorana reste topologiquement protégé même en présence de fort désordre. Cet effet protecteur résulte de l’interaction entre l’interaction spin-orbite et le désordre, qui induit un champ magnétique efficace qui neutralise les effets néfastes du désordre.

Conclusion :

En conclusion, notre étude élucide l’interaction complexe entre l’interaction spin-orbite et le désordre dans les nanofils de Majorana. Nous identifions un régime de paramètres dans lequel l'interaction spin-orbite peut stabiliser l'état de Majorana contre certains types de désordre, fournissant ainsi des informations précieuses pour optimiser la conception et la fabrication de ces systèmes quantiques topologiques prometteurs. Nos découvertes peuvent contribuer aux efforts en cours visant à réaliser des nanofils Majorana pour l'informatique quantique topologique.