Uniones Josephson basadas en nanohilos de Majorana encapsulados

Carlos Payá, Elsa Prada (Tutora). Universidad Autónoma de Madrid. Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM), CSIC

Los nanohilos híbridos superconductor-semiconductor han ostentado un lugar prominente en física de la materia condensada durante la última década, ya que son una plataforma ideal para estudiar superconductividad topológica unidimensional y la creación de estados de borde fraccionales conocidos como modos de Majorana. Estos estados ligados poseen características excepcionales, como por ejemplo su estadística no Abeliana ante intercambio, que los hacen ideales como qubits de un futuro ordenador cuántico protegido topológicamente.

 

Desde que se propuso el uso de estos hilos híbridos como superconductores topológicos en 2010, y se llevaron al laboratorio con esta finalidad en 2012, se ha comprendido que la realidad experimental es más compleja de lo que predecían los primeros modelos mínimos. Si bien se ha avanzado enormemente en este campo tanto desde el punto de vista teórico como experimental, todavía no se considera que se haya demostrado inequívocamente la presencia de modos de Majorana. Por este motivo, en los últimos años se están explorando materiales de mayor calidad, nuevas geometrías y dispositivos experimentales más sofisticados que permitan la producción y detección de los exóticos modos de Majorana de forma incuestionable.

 

Típicamente, el superconductor convencional que se usa para inducir superconductividad en el hilo lo cubre parcialmente. Recientemente, se ha sintetizado una nueva generación de hilos híbridos en los que el superconductor es crecido epitaxialmente alrededor de todo el hilo, llamados encapsulados (“full-shell” en inglés). En contraste con los hilos recubiertos parcialmente, se argumenta que los hilos encapsulados podrían entrar en la fase topológica a menores y más deterministas campos magnéticos externos, lo cual sería una gran ventaja para su detección.

 

Hasta la fecha, sólo ha habido un par de estudios teóricos de este nuevo sistema que caracterizan un solo hilo encapsulado. En este proyecto damos el siguiente paso combinando dos de estos hilos y estudiando el efecto Josephson a través de la unión superconductor-normal-superconductor (ver figura, panel izquierdo). Este tipo de diseño de doble hilo es necesario para la realización de un qubit lógico formado por cuatro Majoranas. En particular, estudiamos el espectro Andreev en función de la diferencia de fase entre las dos zonas superconductoras mediante cálculos de la densidad local de estados en la unión (ver figura, panel derecho). Este análisis es esencial para la interpretación de los últimos resultados experimentales en nanohilos de Majorana encapsulados.

(Resumen Completo: Carlos Paya)