A New Platform for Edge Mode Manipulations in the Quantum Hall Effect

در چند دهه گذشته، اثر هال کوانتومی بستر قابل توجهی را برای دستکاری حالت‌های الکترونیکی تک بعدی و بررسی پدیده‌های فیزیکی اساسی فراهم کرده است. با این حال، محدودیت‌های خاص، شکل‌گیری انواع ساختارهای حالت‌های جالب با استفاده از این پلت فرم را دشوار می‌سازد. یک مثال ساختار حالت مارپیچ نامیده می شود که در آن دو حالت تک بعدی و ضد انتشار دارای اسپین های مخالف هستند و بنابراین اسپین و تکانه قفل می شوند. چنین حالت‌های مارپیچی اخیراً توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده‌اند، زیرا وقتی با یک ابررسانای معمولی همراه می‌شوند، انتظار می‌رود که ابررسانایی توپولوژیکی و حالت‌های صفر مایورانا را میزبانی کنند. حتی جالب تر، حالت های مارپیچ کسری هستند که راه را برای تحقق حالت های صفر پارافرمیونی تعمیم یافته باز می کنند. این شبه ذرات با داشتن آمار مبادله غیرآبلین ممکن است به عنوان بلوک های سازنده در محاسبات کوانتومی توپولوژیکی عمل کنند.
در اینجا ما یک پلت فرم جدید برای دستکاری حالت های لبه هال کوانتومی اعداد صحیح و کسری ارائه می دهیم که امکان تشکیل حالت های مارپیچ یک بعدی و همچنین حالت های مارپیچ کسری را فراهم می کند. این پلتفرم مبتنی بر یک ساختار چاه کوانتومی دوگانه در یک سیستم مبتنی بر GaAs است که میزبان دو باند فرعی الکترونیکی در رژیم اثر هال کوانتومی است. با دریچه الکترواستاتیکی نواحی مختلف سازه، حالت های اعداد صحیح متضاد و همچنین کسری، لبه هایی با اسپین های مخالف شکل می گیرد و حفاظت از چرخش آنها تایید می شود. فراتر از شکل گیری حالت های مارپیچ، پلت فرم جدید می تواند به عنوان یک زمین بازی غنی برای تحقیقات جدید باشد. برخی از احتمالات جدید شامل القای مصنوعی حالت های لبه کسری مرکب و ساخت تداخل سنج های جدید مبتنی بر حالت لبه است.

In the last several decades, the quantum Hall effect has provided a remarkable platform for manipulating one-dimensional electronic modes and investigating fundamental physical phenomena. However, certain limitations make it difficult for various kinds of interesting modes structures to be formed using this platform. One example is the so called helical mode structure, in which two one-dimensional, counter propagating modes have opposite spins and thus spin and momentum are locked. Such helical modes have lately attracted significant interest, since, when coupled to a conventional superconductor, they are expected to manifest topological superconductivity and host Majorana zero modes. Even more interesting are fractional helical modes, which open the way for realizing generalized parafermionic zero modes. Possessing non-abelian exchange statistics, these quasiparticles may serve as building blocks in topological quantum computing.
Here we present a new platform for manipulating integer and fractional quantum Hall edge modes, which allows the formation of robust one-dimensional helical as well as fractional helical modes. The platform is based on a carefully designed double-quantum-well structure in a GaAs based system hosting two electronic sub-bands in the quantum Hall effect regime. By electrostatic gating of different areas of the structure, counter-propagating integer, as well as fractional, edge modes with opposite spins are formed and their spin protection is verified. Beyond the formation of helical modes, the new platform can serve as a rich playground for new research. Some new possibilities include the artificial induction of compounded fractional edge modes and the construction of new edge mode-based interferometers.