导体超导体半导体

物体的导电性能:各种物体对电流的通过有着不同的阻碍能力，这种不同的物体允许电流通过的能力叫做物体的导电性能。

导体:通常把电阻系数小的（电阻系数的范围约在0.01~1欧毫米/米）、导电性能好的物体叫做导体。例如：银、铜、铝是良导体； 含有杂质的水、人体、潮湿的树木、钢筋混凝土电杆、墙壁、大地等，也是导体，但不是良导体。

绝缘体:电阻系数很大的（电阻系数的范围约为10~10欧姆·毫米/米）、导电性能很差的物体叫做绝缘体。例如：陶瓷、云母、玻璃、橡胶、塑料、电木、纸、棉纱、树脂等物体，以及干燥的木材等都是绝缘体（也叫电介质）。

半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物体叫做半导体。例如：硅、锗、硒、氧化铜等都是半导体。半导体在电子技术领域应用越来越广泛。

专题：拓扑物理前沿与应用

Majorana准粒子与超导体-半导体异质纳米线*

于春霖1) 张浩2)3)†

1) (中国长城量子实验室, 长沙　410006)2) (清华大学物理系, 低维量子物理国家重点实验室, 北京　100084)3) (北京量子信息科学研究院, 北京　100193)(2020 年2 月4日收到; 2020 年2 月23日收到修改稿)

Majorana准粒子是凝聚态物理版本的Majorana费米子. 由于Majorana准粒子间的交换操作服从非阿贝尔统计, 并基于此可构建更稳定的量子计算机, 近年来在凝聚态物理界引起广泛关注. 为帮助初学者快速理解Majorana准粒子的形成机理, 本文回顾了在一维超导体-半导体异质纳米线系统中Majorana准粒子模型的提出和理论演化过程, 介绍Kitaev链模型并分析了模型中各要素所起的作用. 还介绍了典型Majorana器件的构成和测量方法, 并结合最新的实验进展对探测到的零能电导峰进行了分析和述评. 最后对超越一维系统的超导体-半导体异质系统的实验前景进行了展望.

关键词：拓扑物态, 马约拉纳零模, 半导体纳米线PACS：73.63.–b, 73.63.Nm　DOI: 10.7498/aps.69.20200177

1 引　言

当今人类面临的很多迫切问题, 例如预测全球气候变化、开发新型药物等, 都需要超强的计算能力来找到解决方案. 随着晶体管尺寸趋近经典物理定律极限, 传统计算机的发展面临巨大挑战. 在这种背景下, 量子计算作为新型计算技术的代表被寄予厚望. 理论预言量子计算在一些特定的算法上会优于经典计算, 量子计算的优越性(或称“量子霸权”)近日也被谷歌公司宣称实现[1]. 然而, 可容错的量子计算机在实际工程上面临一个严峻挑战: 量子态退相干. 这是由于量子比特(量子计算的基本单元)和周围环境不可避免的相互作用所引起的对量子叠加态或纠缠态的破坏. 为了在一个量子态相干时间内进行足够多的量子门操作, 现今主流的量子计算实现方式(比如超导量子比特)一般通过捆绑多个物理比特形成一个逻辑比特进行现场冗余纠错来解决退相干问题. 但是, 在当前物理比特的错误率下, 形成一个可大规模集成的逻辑比特所需的物理比特的数量可能高达成千上万个. 这给容错量子计算机的实现设置了一个巨大的技术障碍, 目前仍然没有实现一个逻辑量子比特.为此, 理论物理学家在21世纪初的时候提出了利用物质的拓扑性来解决量子比特退相干的问题[2]. 这种思路是利用低维系统中遵循非阿贝尔统计的准粒子(或称非阿贝尔任意子[3], non-Abeliananyon)来进行量子信息编码. 对这种任意子进行交换操作(braiding operation, 俗称“辫织”), 操作的结果仅与系统全局的拓扑性(也即交换的顺序)相关, 从而使其免受一般局域性环境噪声的干扰. 因此, 非阿贝尔任意子被预言为可被用于实现自容错的拓扑量子计算机[4].

1 §5-6 导体、绝缘体和半导体的能带模型

尽管所有的固体都包含大量有电子，但有些固体具有很好的电子导电性能，而另一些固体则观察不到任何电子的导电性。对于固体为什么分为导体、绝缘体和半导体呢？这一基础事实曾长期得不到解释，能带论对这一问题给出了一个理论说明，并由此逐步发展成为有关导体、绝缘体和半导体的现代理论。

晶体中电子有能量本征值分裂成一系列能带，每个能带均由N个准连续能级组成（N为晶体原胞数），所以，每个能带可容纳2N个电子。晶体电子从最低能级开始填充，被电子填满的能带称作满带，被电子部分填充的能带称为不满带，没有电子填充的能带称为空带。能带论解释固体导电的基本观点是：满带电子不导电，而不满带中的电子对导电有贡献。

5. 6. 1 满带电子不导电

从前面的知识中，已经知道，晶体中电子能量本征值E(k)是k的偶函数，则利用（5-5-11），可以证明v(-k)=-v(k)，即v(k)是k的奇函数。一个完全填满的电子能带，电子在能带上的分布，在k空间具有中心对称性，即一个电子处于k态，其能量为E(k)，则必有另一个与其能量相同的E(-k)=E(k)电子处于-k态。当不存在外电场时，尽管对于每一个电子来证，都带有一定的电流-ev，但是k态和-k态的电子电流-ev(k)和-ev(-k)正好一对对相互抵消，所以说没有宏观电流。

当存在外电场或外磁场时，电子在能带中分布具有k空间中心对称性的情况仍不会改变。以一维能带为例，图5-6-1中k轴上的点子表示简约布里渊区内均匀分布的各量子态的电子。如上所述，在外电场E的作用下，所有电子所处的状态都以速度

dedtkE…………………………………………………………………………………………(5-6-1)

沿k轴移动。由于布里渊区边界A和A两点实际上代表同一状态，在电子填满布里渊区所有状态即满带情况下，从A点称动出去的电子同时就从A点流进来，因而整个能带仍处于均匀分布填满状态，并不产生电流。

Ｎｏ．５　！　ＴＩＭＥ　ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ　Ｍａｙ　

论导体、绝缘体、半导体的区别与联系　

王韶宇　

摘要：导体、绝缘体、半导体可以从定义和实质两方面来区别。定义划分：物理学中，导体、绝缘体、半导体主要是根据导电性能的　强弱来区分的；实质区别：导体、绝缘体、半导体实质上的区别在于构成它们的物质的微观结构不同。但是，导体、绝缘体、半导体之间　没有绝对的界线，在外部条件（如温度、高压等）发生变化时，它－ｆｌ＇］￣Ｎ可以相互转化。　关键词：导体绝缘体半导体区别联系　中图分类号：Ｇ６３３．７　文献标识码：Ｃ　文章编号：１６７２—８１８１（２００９）０５—０１３４—０１　

物理学中，导体、绝缘体、半导体主要是根据导电性能的强弱　

来区分的。把容易导电的物体叫做导体，如：金属、石墨、人体、大　

地及酸、碱、盐的水溶液等。把不容易导电的物体叫做绝缘体，　

如：橡胶、玻璃、塑料、陶瓷等。把导电性能介于导体和绝缘体之　

间的材料叫做半导体，如：锗、硅、砷化镓等。导体、绝缘体、半导　

体实质上的区别在于构成它们的物质的微观结构不同。　

导体之所以容易导电，在于导体内部有大量的可自由移动的　

电荷。导体包括两类，第一类导体是金属导体。在金属导体中，　

部分电子可以脱离原子核的束缚而在金属内部自由移动，这种电　

子叫做自由电子。金属导电靠的就是自由电子，在电源作用下，　

带负电的自由电子发生定向移动形成电流，电流的方向跟自由电　

子实际定向移动的方向相反。第二类导体是酸、碱、盐的水溶　

液。酸、碱、盐在水中发生电离，产生能够自由移动的正、负离　

子。如：ＮａＯＨ溶液中Ｎａ＋和ＯＨ一都以离子状态存在，在电源的作　

用下，正、负离子向相反的方向发生定向移动形成电流，正离子移　

动的方向与电流的方向相同，负离子移动的方向与电流的方向相　

反。另外，气体电离后也产生能自由移动的电荷，也能传导电　

流。绝缘体不容易导电的原因在于构成绝缘体的物质内部几乎　

没有可以自由移动的电荷。其分子中正负电荷都被束缚得很紧，　在电源作用下，也就几乎没有能够发生定向移动的电荷，所以绝