Majorana oscillations in full-shell nanowires
Carlos José Sánchez Martínez, Elsa Prada (Tutora). Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, ICMM-CSIC
En 1937, el físico italiano Ettore Majorana postuló la existencia de partículas elementales con la propiedad de ser su propia antipartícula. Quizás el candidato más popular para apellidarse
Majorana son esos esquivos neutrinos que constantemente están atravesando nuestro cuerpo de forma casi fantasmal. Aunque pueda resultar sorprendente, esta propiedad no está reservada únicamente para partículas elementales. En las últimas dos décadas, la palabra Majorana está resonando en el campo de la física de la materia condensada con el descubrimiento de los llamados materiales topológicos, que se dividen en aislantes y superconductores topológicos. A diferencia de los materiales convencionales, estos materiales se caracterizan por presentar una fase topológica en la que el material tiene un interior (bulk) aislante y en la que emergen, en los bordes o defectos del material, unos estados protegidos topológicamente ante perturbaciones locales por la presencia de un gap de energía en su estructura electrónica. Para pasar de una fase trivial a una topológica no basta con someter a su estructura de bandas a deformaciones continuas (pequeñas) del gap, sino que hay que realizar una deformación drástica, que conlleva el cierre y reapertura del gap, y una consiguiente inversión de bandas. Este proceso se llama transición topológica.
El descubrimiento de estas fases topológicas ha permitido, concretamente, el desarrollo de estructuras híbridas (formadas por materiales superconductores y normales) capaces de presentar una fase superconductora topológica en la que emergen a energía cero (en medio del gap) unos estados protegidos topológicamente con la peculiar propiedad de ser su propia antipartícula. Estos son los llamados modos de Majorana. Aparte de presentar esa exótica propiedad, han generado gran interés por la posibilidad de utilizarlos para construir qubits protegidos topológicamente de errores, pero su existencia no se ha podido demostrar experimentalmente de forma inequívoca todavía. Es por ello el gran esfuerzo que está siendo llevado a cabo para construir estructuras que faciliten esta labor. En este trabajo nos centramos en una plataforma recién ideada en la que se predice la aparición de estos modos, conocida como nanohilo híbrido encapsulado. Consiste en un nanohilo semiconductor recubierto completamente por una fina envoltura superconductora. Cuando este sistema es penetrado por un campo magnético y, necesariamente, en presencia de acoplo spin-órbita,
el nanohilo híbrido puede presentar un modo de Majorana en cada extremo del hilo. A través de la simulación computacional de la densidad local de estados en un extremo del sistema, que es la propiedad que se mide en experimentos de conductancia diferencial, estudiamos la aparición y características de estos modos de Majorana. Hemos concentrado la atención, particularmente, en el estudio de las condiciones de hibridación de estos dos estados cuando el nanohilo tiene una longitud finita. Cuando la longitud del hilo es menor o del orden de la extensión espacial de los modos de Majorana, el Majorana de la izquierda y el de la derechasolapan dando lugar a unas características oscilaciones de la densidad local de estados frente al flujo magnético que atraviesa el sistema, llamadas oscilaciones de Majorana. La demostración experimental de este comportamiento oscilatorio podría indicar la posible presencia de dichos modos de Majorana. Este estudio constituye un paso más hacia la creación y detección de modos de Majorana, y contribuye al uso de estos nanohilos como un posible hardware de un futuro ordenador cuántico topológico libre de errores.
(Resumen completo: Carlos José Sánchez Martínez)