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Previous issue date: 2017-12-12 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O físico italiano Ettore Majorana propôs, no campo da Física de altas energias, a existência de férmions peculiares que têm como característica serem suas próprias antipartículas. No contexto de Física da matéria condensada, tais férmions emergem como quasipartículas de Majorana (MQPs). Da perspectiva da compu- tação quântica, duas MQPs podem compor um férmion regular e atuar como um qubit protegido, que está desacoplado do ambiente e livre do efeito de decoerência. Até onde sabemos, a verificação experimental de uma MQP ainda é questionável, apesar de alguns resultados experimentais, e desta forma, o objetivo desta tese é de propor formas experimentais a fim de ajudar na busca das assinaturas de tais excitações. Como o efeito Fano é um efeito de interferência na qual canais de tunelamento competem entre si pelo transporte eletrônico, ele torna-se uma forma de capturar tais assinaturas das MQPs em sistemas de matéria condensada. Baseado nisto, a ideia é investigar teoricamente três diferentes interferômetros a fim de obter uma assinatura definitiva das MQPs. O primeiro é um interferômetro do tipo Aharanov-Bohm composto por dois quantum dots, sendo um deles acoplado a uma MQP, que se localiza na borda de um fio de Kitaev semi-infinito na fase topológica. Ajustando o nível de Fermi dos terminais e o detuning simétrico dos níveis dos dots, mostrou-se que regimes Fano opostos resultam em uma transmitância caracterizada por distintas regiões condutoras e isolantes, que são marcas de uma MQP isolada. O dispositivo proposto aqui constitui uma alternativa experimental para detectar as MQPs. O segundo interferômetro é composto por pontas de STM e AFM próximas a um dímero de Kitaev de átomos adsorvidos supercondutores, na qual o átomo adsorvido localizado abaixo da ponta de AFM, encerra um par de MQPs. Para uma energia de ligação ∆ do par de Cooper delocalizado nos átomos adsorvidos abaixo das pontas coincidente com a amplitude de tunelamento t entre eles, ou seja, ∆ = t, mostrou-se que somente uma MQP abaixo da ponta de AFM hibridiza com o átomo adsorvido abaixo das pontas de STM, e para esta situação, o padrão de Fano permanece como universal. Mas para o caso das duas MQPs conectadas ao átomo adsorvido abaixo das pontas de STM, foi verificado que tal característica universal foi quebrada. O terceiro e último interferômetro é composto por dois quantum dots assimetricamente acoplados a MQPs isoladas que se localizam em duas cadeias de Kitaev na fase topológica. Este dispositivo habilita a medição da MQP em uma forma distinta do pico zero-bias. Mais importante, o sistema se comporta como um seletor de correntes composto por dois caminhos distintos: (i) para o dot superior conectado a ambas as cadeias, o dispositivo percebe ambas as MQPs como um férmion regular e a corrente atravessa somente o dot inferior, pois a corrente no dot superior é impedida devido a presença de um gap supercondutor; e (ii) pela leve supressão da hibridização do dot superior com a cadeia, a corrente é abruptamente trocada para fluir através deste mesmo dot, uma vez que um elétron é armadilhado como um estado ligado ao contínuo (BIC) surge no dot inferior. Tal seletor de corrente entre os dots inferior e superior caracteriza uma transição de fase quântica, que possibilita não somente a revelação de MQPs, mas também produz um seletor de corrente assistido por elas. / The Italian physicist Ettore Majorana proposed in the field of high-energy Physics the existence of peculiar fermions that constitute their own antiparticles. In the context of condensed matter Physics, these fermions are Majorana quasiparticles (MQPs). From the quantum computing perspective, two MQPs can compose a regular fermion acting as a protected qubit, which is indeed decoupled from the host environment and free of the decoherence effect. To the best of our knowledge, the experimental capture of a MQP up to now is still questionable despite some experimental results, then, the goal of this thesis is to propose helpful experiment manners in revealing signatures from such excitations. As the Fano effect is an interference phenomenon where tunneling paths compete for the electronic transport, it becomes a probe to catch fingerprints of MQPs lying on condensed matter systems. Based on this, the idea is to investigate theoretically three different interferometers in order to obtain a MQP smoking- gun signature. The first one was an Aharonov-Bohm-like interferometer composed by two quantum dots, being one of them coupled to a MQP, which is attached to one of the edges of a semi-infinite Kitaev wire within the topological phase. By changing the Fermi energy of the leads and the symmetric detuning of the levels for the dots, we show that opposing Fano regimes result in a transmittance characterized by distinct conducting and insulating regions, which are fingerprints of an isolated MQP. The setup proposed here constitutes an alternative experimental tool to detect MQPs. The second one is composed by STM and AFM tips close to a Kitaev dimer of superconducting adatoms, in which the adatom placed under the AFM tip, encloses a pair of MQPs. For the binding energy ∆ of the Cooper pair delocalized into the adatoms under the tips coincident with the tunneling amplitude t between them, namely ∆ = t, we find that only one MQP beneath the AFM tip hybridizes with the adatom coupled to the STM tips, and for this situation, the Fano pattern is still universal. But for the case of two MQPs connected to the adatom beneath the STM tips, we verify that such a universality is broken. The third and last one is composed by two quantum dots asymmetrically coupled to isolated MQPs, lying on the edges of two topological Kitaev chains. This setup enables us to probe MQPs in a quite distinct way from the zero-bias peak feature. Most importantly, the system behaves as a current switch made by two distinct paths: (i) for the upper dot connected to both chains, the device perceives both MQPs as an ordinary fermion and the current crosses solely the lower dot, since current in the upper dot is prevented due to the presence of the superconducting gap; and (ii) by suppressing slightly the hybridization of the upper dot with one chain, the current is abruptly switched to flow through this dot, once a trapped electron as a bound state in the continuum (BIC) appears in the lower dot. Such a current switch between upper and lower dots characterizes a quantum phase transition, which enables not only the fundamental revealing of MQPs, but also yields a current switch assisted by them.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.unesp.br:11449/152632 |
| Date | 12 December 2017 |
| Creators | Dessotti, Fernando Augusto |
| Contributors | Universidade Estadual Paulista (UNESP), Seridonio, Antonio Carlos Ferreira [UNESP] |
| Publisher | Universidade Estadual Paulista (UNESP) |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UNESP, instname:Universidade Estadual Paulista, instacron:UNESP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 600 |
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