近似QAHI薄膜中CAR的量子输运模拟。a，QAHI状态下磁性TI（MTI）薄膜的传输仿真装置示意图。b， 无序平均电子-空穴转换概率。c，电子和空穴以及顶部和底部表面携带的局部电流密度的分量，绘制了 b 中使用的 SC 指的三种不同宽度（用黑色虚线表示）。图片来源：Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02574-1

由科隆大学领导的一组实验物理学家已经证明，有可能在以其独特的边缘电特性而闻名的特殊材料中产生超导效应。这一发现为探索高级量子态提供了一种新方法，这对于开发稳定高效的量子计算机至关重要。

他们的研究题为“量子反常霍尔绝缘体中的诱导超导相关性”，已发表在《自然物理学》上。

超导性是电流在某些材料中无阻力流动的现象。量子反常霍尔效应是另一种现象，也会导致零电阻，但有一个转折点：它被限制在边缘，而不是扩散到整个边缘。

理论预测，超导性和量子反常霍尔效应的结合将产生称为马约拉纳费米子的拓扑保护粒子，这将有可能彻底改变量子计算机等未来技术。

这种组合可以通过在已经无电阻的量子反常霍尔绝缘体的边缘诱导超导来实现。由此产生的手性马约拉纳边缘态是一种特殊类型的马约拉纳费米子，是实现拓扑保护的“飞行量子比特”（或量子比特）的关键。

Anjana Uday是Yoichi Ando教授小组的最后一年博士研究员，也是该论文的第一作者，她解释说：“在这项研究中，我们使用了由超导铌电极接触的量子异常霍尔绝缘体的薄膜，并试图在其边缘诱导手性马约拉纳态。

“经过五年的努力，我们终于能够实现这一目标：当我们将电子注入绝缘体材料的一个端子时，它会在另一个端子反射，不是作为电子，而是作为一个空穴，这本质上是一个带有相反电荷的电子的幻影。

“我们称这种现象为交叉安德烈耶夫反射，它使我们能够在拓扑边缘状态下检测诱导超导性。

安藤小组的博士后研究员、该论文的共同第一作者Gertjan Lippertz补充说：“自从发现量子异常霍尔效应以来，在过去的10年里，这个实验已经被许多小组尝试过，但以前没有人成功过。

“我们成功的关键在于，量子反常霍尔绝缘体的薄膜沉积、器件制造的每一步以及超低温测量都是在同一个实验室完成的。这在其他地方是不可能的。

为了取得这些成果，科隆小组与鲁汶大学、巴塞尔大学以及于利希大学的同事合作。后者在量子计算卓越物质和光联合集群（ML4Q）中提供了理论支持。

“该集群在为这一突破提供必要的合作框架和资源方面发挥了重要作用，”科隆大学实验物理学教授兼ML4Q发言人Yoichi Ando阐述道。

这一发现为未来的研究开辟了许多途径。接下来的步骤包括实验，以直接确认手性马约拉纳费米子的出现，并阐明它们的奇异性质。

理解和利用拓扑超导和手性马约拉纳边缘状态可以通过提供不易受到退相干和信息丢失影响的稳定量子比特来彻底改变量子计算。

本研究中展示的平台为实现这些目标提供了一条有希望的途径，可能导致更强大和可扩展的量子计算机。

更多信息：Anjana Uday 等人，量子反常霍尔绝缘体中的诱导超导相关性，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02574-1

期刊信息： Nature Physics