通过电荷传感探测一维导线中的马约拉纳费米子

当半导体纳米线与体超导体近邻耦合时，若在线长 $L$、化学势 $\mu$ 或磁场 $B$ 等参数在拓扑超导相内变化，其基态的电子数宇称可在量子化值 $\pm 1$ 之间交替。这些宇称跃变可解释为由导线两端马约拉纳模构成的费米子态占据数的变化，并伴随着纳米线电荷的跃变 $\delta N$，其值随线长呈指数衰减。我们理论上研究了 $\delta N$ 对系统参数的依赖关系，并比较了纳米线在与体超导体近邻耦合及未耦合情况下，$\mu$-$B$ 平面中宇称跃变的位置。我们表明，尽管马约拉纳模的波函数局域在导线两端附近，但电荷密度跃变沿导线长度具有 essentially uniform 的空间分布，正比于两个马约拉纳波函数的乘积。我们解释了如何通过外部单电子晶体管等电荷测量来揭示这些效应。现有的实验方法需要直接接触导线进行隧穿测量，而电荷传感避免了这一问题，并提供了一种正交测量以确认最近的实验进展。此外，通过比较显示导线端点马约拉纳特征的态密度测量与均匀分布的电荷测量，可以排除对早期结果的其他解释。我们阐明了这类导线 - 超导体混合系统的新参数区域，并提出了一项相关实验以测量自旋密度。