CN110880039A - 用电场控制马约拉纳零能模移动的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用电场控制马约拉纳零能模移动的方法，采用磁电层构建由电场控制的局域磁场阵列，通过局域磁场阵列束缚或者直接在拓扑超导体上产生负载MZM的磁通涡旋，进一步通过移动磁场实现马约拉纳零能模移动以及编织操作。相比于当前方法速度快，能简便控制及移动马约拉纳零能模移动，能够大规模集成。

Description

用电场控制马约拉纳零能模移动的方法
技术领域
本发明涉及的是一种量子计算领域的技术，具体是一种用电场控制马约拉纳零能模移动以完成拓扑量子计算的方法。
背景技术
拓扑量子计算使用具有非阿贝尔(non-Abelian)统计性质的粒子，如马约拉纳(Majorana)费米子或者具有和马约拉纳费米子相同性质的、出现在拓扑超导体(topological superconductor，TSC)磁通涡旋中心的马约拉纳零能模(Majorana zeromode，MZM)。当前实验上试图实现编织MZM操作，普遍的思路以及方法是用探针如扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscopy，STM)针尖，磁力显微镜(magnetic forcemicroscopy，MFM)针尖等来拖动拓扑超导体上负载有MZM的磁通涡旋，但该技术探针拖动需要机械移动、速度慢、不能直接控制拓扑超导体上磁通涡旋的位置，只能先大范围扫描寻找合适的磁通涡旋，再进行编织操作。
发明内容
本发明针对现有技术机械移动速度慢、难以定位和控制MZM、一个针尖同时只能实现单个MZM的编织操作的不足，提出一种用电场控制马约拉纳零能模移动的方法，相比于当前方法速度快，能简便控制及移动马约拉纳零能模移动，能够大规模集成。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明采用磁电(magnetoeletric，ME)层构建由电场控制的局域磁场阵列，通过局域磁场阵列束缚或者直接在拓扑超导体上产生负载MZM的磁通涡旋，进一步通过移动磁场实现马约拉纳零能模移动以及编织操作。
所述的局域磁场阵列用于定义马约拉纳零能模的移动路线，包括：磁电层与拓扑超导体层构成的异质结(heterostructure)及其电极组成的阵列，与阵列相连的控制电路。
所述的磁电层，为具有磁电效应或等效磁电效应的材料制成，采用但不限于具有压磁效应的材料如Cr2O3，具有等效磁电效应的材料如压磁(piezoelectric，PZE)材料和压电(piezomagnetic，PZM)材料的组合体或者是铁磁体(ferromagnet，FM)和压电材料的组合体。
所述的移动磁场是指：通过电场控制相邻电极处连接的磁电层与拓扑超导体层构成的异质结的磁场变化实现，由于拓扑超导体上产生负载MZM的磁通涡旋会随着局域磁场移动，移动磁场就可以移动MZM。
所述的局域磁场阵列采用光刻技术制成。
技术效果
本发明提出的MZM移动的方法，由于用电场控制，速度快；局域磁场可以束缚或者直接在拓扑超导体上产生负载MZM的磁通涡旋，可以简便控制以及移动MZM；磁电材料层与相应电极组成的阵列以及控制电场的电子电路，可以通过光刻技术在大尺寸样品上刻出，容易大规模集成。
附图说明
图1为实施例基本单元示意图；
图2为实施例编织操作示意图；
图中：a为实施例编织操作阵列侧视示意图；b为实施例编织操作俯视示意图；拓扑超导体1、具有磁电效应或等效磁电效应的材料层2、电极3、控制电路4。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的局域磁场阵列中的基本单元，包括：拓扑超导体1和与之相连构成异质结的具有磁电效应或等效磁电效应的材料层2以及设置于材料层两侧的电极3。
所述的材料层2可以采用磁电效应材料、等效磁电效应材料如PZM和PZE的组合或FM与PZE的组合。
所述的异质结，通过分子束外延(molecular beam epitaxial，MBE)或者磁控溅射等技术蒸镀形成，优选为：直接蒸镀磁电材料层，再于其上覆盖拓扑超导体层形成；在具有压电效应的材料上如压电陶瓷上，通过蒸镀压磁材料层如Mn3NNi于其上，然后在覆盖上拓扑超导体或人造拓扑超导体层形成；或在双磁化易轴的铁磁体如Fe81Ga19以及压电材料形成等效磁电效应层，再于其上覆盖拓扑超导体层形成。
实现电场控制移动MZM对上述的磁电材料层小块尺寸有要求。人造拓扑超导体中磁通涡旋的直径可以到达40纳米左右，磁电材料层小块不能大于这个值，一般可取其半径大小。这个尺寸(～20纳米)对于现代光刻技术是可以轻易实现的。集成一些基本单元小块以及控制电路形成大的方形编织单元(unit for braiding)阵列，如图2中所示，阵列大小要求至少能够容纳两个负载有MZM的磁通涡旋。构建编织单元阵列乃至更大阵列的时候，拓扑超导体层是完整的，并未被光刻。
当采用具有磁电效应材料，如Cr2O3来产生局域磁场时，用电场来产生和控制磁场的具体实现方式为：对磁电材料施加电场，磁电效应导致产生局域磁场。撤掉电场即可移除局域磁场。
当采用PZM/PZE组合体来产生局域磁场时，用电场来产生和控制磁场的具体实现方式为：对底层压电材料施加电场，压电效应产生形变传导至上层压磁材料层，压磁效应导致产生磁场。撤掉电场即可移除局域磁场。
当采用FM/PZE组合体时，用电场来产生和控制磁场的具体实现方式为：具体控制转换机制和PZM/PZE组合体类似，区别在于对于PZM，加反向电场会完全翻转材料磁化方向；对于FM加反向电场一般只是将磁化方向转动90°，而且铁磁体有剩磁。该组合体层适用于其剩磁产生的磁场较小，不足以在拓扑超导体层上产生负载有MZM的磁通涡旋的情况。
当上述具有磁电效应或者等效磁电效应材料层在电场控制下产生的局域磁场不够大，不足以在拓扑超导体层上产生负载有MZM的磁通涡旋时，优选进一步施加宏观磁场来引导负载有MZM的磁通涡旋的产生；由于钉扎效应，叠加在宏观磁场之上的局域磁场仍可以束缚住负载有MZM的磁通涡旋。
所述的宏观磁场采用但不限于通过先在磁电材料下面生长具有大剩磁的材料如Fe，Co等或使用线圈获得。
如图2中a所示，所述的局域磁场阵列包括：由上而下依次设置的拓扑超导体1、具有磁电效应或等效磁电效应的材料层2、电极3和控制电路4，其中：拓扑超导体1和具有磁电效应或等效磁电效应的材料层2构成异质结，电极3分别与材料层2和控制电路4相连。
如图2中b所示，当完成构建以后，通过以下步骤实现电场控制移动MZM并实现简单编织操作：
①通过相连的电极对单元中心和角落磁电材料层小块施加电场，使得单元中心和角落的拓扑超导体上各产生或束缚一个负载有MZM的磁通涡旋，分别对应于涡旋A和B；
②保持涡旋A不变，逐渐减小B涡旋对应磁电材料层小块的电场，同时增大其临近小块的电场，使局域磁场沿临近方向移动，由于局域磁场可以束缚拓扑超导体上产生负载MZM的磁通涡旋，从而使涡旋B随着局域磁场沿临近方向移动，这样就实现了电场控制马约拉纳零能模移动；
③沿着包围涡旋A的闭合路径，如图2箭头指示的路径，重复上述过程直至涡旋B回到出发点，完成一次编织操作。
除了简单的编织操作，可以利用光刻技术制造更大阵列，采用类似的方法可以完成MZM复杂的移动过程，实现拓扑量子计算所需要的各种复杂编织操作。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种用电场控制马约拉纳零能模移动的方法，其特征在于，采用磁电层构建由电场控制的局域磁场阵列，通过局域磁场阵列束缚或者直接在拓扑超导体上产生负载MZM的磁通涡旋，进一步通过移动磁场实现马约拉纳零能模移动以及编织操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的局域磁场阵列用于定义马约拉纳零能模的移动路线，包括：磁电层与拓扑超导体层构成的异质结及其电极组成的阵列，与阵列相连的控制电路。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的磁电层，为具有磁电效应或等效磁电效应的材料制成。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征是，所述的磁电层采用具有压磁效应的材料，具有等效磁电效应的压磁材料和压电材料的组合体或者是铁磁体和压电材料的组合体。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的移动磁场是指：通过电场控制相邻电极处连接的磁电层与拓扑超导体层构成的异质结的磁场变化实现，由于拓扑超导体上产生负载MZM的磁通涡旋会随着局域磁场移动，移动磁场就可以移动MZM。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的局域磁场阵列采用光刻技术制成。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征是，当采用具有磁电效应材料产生局域磁场时，用电场来产生和控制磁场的具体实现方式为：对磁电材料施加电场，磁电效应导致产生局域磁场，撤掉电场即可移除局域磁场；
当采用PZM/PZE组合体来产生局域磁场时，用电场来产生和控制磁场的具体实现方式为：对底层压电材料施加电场，压电效应产生形变传导至上层压磁材料层，压磁效应导致产生磁场，撤掉电场即可移除局域磁场；
当采用FM/PZE组合体时，用电场来产生和控制磁场的具体实现方式为：具体控制转换机制和PZM/PZE组合体类似，区别在于对于PZM，加反向电场会完全翻转材料磁化方向；对于FM加反向电场一般只是将磁化方向转动90°，而且铁磁体有剩磁，该组合体层适用于其剩磁产生的磁场较小，不足以在拓扑超导体层上产生负载有MZM的磁通涡旋的情况。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，进一步施加宏观磁场来引导负载有MZM的磁通涡旋的产生；由于钉扎效应，叠加在宏观磁场之上的局域磁场仍可以束缚住负载有MZM的磁通涡旋。
9.一种控制马约拉纳零能模移动的局域磁场阵列，其特征在于，由若干基本单元组成，每个基本单元包括：拓扑超导体和与之相连构成异质结的具有等效磁电效应的材料层以及设置于材料层两侧的电极。
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