铁磁-半导体-超导体异质拓扑系统研究

Low dimensional semiconductor-superconductor hybrid system can host Majorana Zero mode in presence of a strong magnetic field, which is critical for topological quantum computing. However, the external magnetic field induces a lot quasiparticle poisoning events, which destroys the topological protection of the system. To solve this problem, here we propose to realize a ferromagnet-semiconductor-superconductor hybrid system to generate Majorana without the application of external magnetic field. Ferromagnet materials can break the time-reversal symmetry by local magnetic field or by exchange interaction, neither will harm superconductor. In this way, one can create Majorana Zero mode without quasiparticle poisoning induced by magnetic field. We will explore how to experimentally implement this hybrid system, how to generate Majorana in it and measure quasiparticle poisoning frequency.

低维半导体-超导体异质结构在磁场中可以产生Majorana零模态，这对于制备拓扑量子计算相关的器件十分重要。但强磁场在产生Majorana零能态的同时会引入大量的准粒子污染事件，从而破坏体系的拓扑保护特性。为了解决这个看似矛盾的问题，申请人提出通过实验构建铁磁-半导体-超导体异质拓扑系统，利用铁磁材料的局域磁场或者铁磁交换相互作用（Ferromagnetic Exchange Interaction），在不影响超导体的情况下诱发异质系统发生拓扑相变，从而使得Majorana系统免于大量的准粒子污染。这对拓扑超导量子计算的实现有着至关重要的意义。本项目将围绕如何实验实现高质量的铁磁体-半导体-超导体异质系统，并在该系统中实现零磁场下的Majorana零模态，以及对系统进行准粒子污染频率的测量和研究等方向进行。

本项目旨在利用铁磁材料的局域磁场或者铁磁交换相互作用，在不影响超导体的情况下诱发异质系统发生拓扑相变，从而使得Majorana系统免于大量的准粒子毒害。这对拓扑超导量子计算的实现有着至关重要的意义。本项目围绕该目标，一是在器件设计与仿真方面设计并仿真了基于磁隧穿结-半导体-超导体异质结构的可编程拓扑阵列，为了证实现场可编程物态对拓扑物态的操控的有效性，项目进行了大范围的数值模拟，并给出了四个代表性的调控案例。二是在测量平台搭建方面完成了对实验器件进行测试的全部测试环境的搭建工作，组建了具备了10mK电子输运测量设备，配备了DAC、矢量网络、AWG、Locking等分析仪各类高低频测量设备，利用QCoDeS编写了设备驱动和测量程序框架。三是在原型器件加工和测量方面通过采用CoFeB-MgO-CoFeBo/Co结构的面外极化MTJ材料，研究了异质材料器件的加工工艺并进行了输运测量。本研究利用联合调制电场、磁场、超导序参量，使基于铁磁/半导体/超导体的物态像素得以像FPGA一样快速、可重复配置，对研究拓扑物理以及基于拓扑材料的新一代信息处理具有重大创新意义。项目共产出SCI论文2篇，皆为中科院JCR一区文章，以及在投的2篇手稿，相关专利4项，培养硕士生2名，博士生1名。