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拓扑超导Majorana束缚态的探索

物理学报 2020年第11期69卷 226-235页

作者：梁奇锋王志川上拓人胡晓绍兴文理学院物理系绍兴312000 中山大学物理系广州510275 日本大阪大学大学院理学研究科物理学专攻大阪565-0871日本日本国立物质材料研究机构国际物质纳米结构学研究中心筑波305-0044日本中国科学院大学卡弗里理论物理研究所北京100190

Majorana束缚态具有非阿贝尔量子统计特性,是极具潜力的拓扑量子计算方案的核心.近期有多项实验研究提供了Majorana束缚态在某些超导体系中的存在证据,使其成为近期凝聚态物理以及量子计算领域的前沿焦点之一.本文介绍拓扑超导的机理、M... 详细信息

Majorana束缚态具有非阿贝尔量子统计特性,是极具潜力的拓扑量子计算方案的核心.近期有多项实验研究提供了Majorana束缚态在某些超导体系中的存在证据,使其成为近期凝聚态物理以及量子计算领域的前沿焦点之一.本文介绍拓扑超导的机理、Majorana束缚态的新奇物理特性、实验观测和操作的方法以及相关量子器件的设计,最后展望该研究方向的发展前景.

关键词： Majorana束缚态拓扑超导非阿贝尔统计量子计算

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拓扑超导及马约拉纳零能模研究进展

中国基础科学 2022年第5期24卷 41-44页

作者：郑浩李耀义贾金锋上海交通大学物理与天文学院人工结构及量子调控重点实验室(教育部) 沈阳材料科学国家研究中心及李政道研究所上海200240

拓扑量子计算能够在硬件层面上解决纠错问题,因此成为实现通用量子计算的一种理想方案。拓扑量子计算需要建立在非阿贝尔任意子基础之上,理论认为马约拉纳零能模是最简单的非阿贝尔任意子,而拓扑超导的表面或者边缘存在马约拉纳零能模... 详细信息

拓扑量子计算能够在硬件层面上解决纠错问题,因此成为实现通用量子计算的一种理想方案。拓扑量子计算需要建立在非阿贝尔任意子基础之上,理论认为马约拉纳零能模是最简单的非阿贝尔任意子,而拓扑超导的表面或者边缘存在马约拉纳零能模。在制备了基于拓扑晶体绝缘体的拓扑超导体系的基础上,在其中观察到了受晶体对称性保护的马约拉纳零能模和分段费米面。提出用电场操控马约拉纳零能模的方案,有望实现编织与融合,为拓扑量子计算提供理论基础。

关键词：拓扑超导马约拉纳零能模拓扑量子计算

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拓扑材料中的超导

物理学报 2020年第2期69卷 1-19页

作者：顾开元罗天创葛军王健北京大学物理学院量子材料科学中心量子物质科学协同创新中心中国科学院大学中国科学院拓扑量子计算卓越创新中心北京量子信息科学研究院

近来,人们在凝聚态体系中发现了由拓扑不变量定义的物相,其中最重要的有拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等.这些物相的拓扑性质由非平凡的拓扑数描述,相应的材料被称为拓扑材料,具有诸多新奇的物理特性.其中拓扑超导体由于边界上有... 详细信息

近来,人们在凝聚态体系中发现了由拓扑不变量定义的物相,其中最重要的有拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等.这些物相的拓扑性质由非平凡的拓扑数描述,相应的材料被称为拓扑材料,具有诸多新奇的物理特性.其中拓扑超导体由于边界上有满足非阿贝尔统计的Majorana零能模,成为实现拓扑量子计算的主要候选材料.除了探索本征的拓扑超导体外,由于拓扑性质上的相似性,在不超导的拓扑材料中调制出超导自然成为了实现拓扑超导的重要手段.目前,人们发展了栅极调制、掺杂、高压、近邻效应调制和硬针尖点接触等多种技术,已经成功地在许多拓扑绝缘体和半金属中诱导出了超导,并对超导的拓扑性和Majorana零能模进行了研究.本文回顾了本征拓扑超导候选材料,以及拓扑绝缘体和半金属中诱导出超导的代表性工作,评述了不同实验手段的优势和缺陷、分析了其超导拓扑性的证据,并提出展望.

关键词：拓扑绝缘体拓扑半金属非常规超导拓扑超导拓扑材料

拓扑超导体中涡旋的钉扎效应及马约拉纳费米子的编织

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拓扑超导体中涡旋的钉扎效应及马约拉纳费米子的编织

作者：武海丹南京航空航天大学

学位级别：硕士

近年来,拓扑超导引起了人们广泛的关注。这是因为拓扑超导体的体内有超导能隙,边界处有拓扑保护的边缘态,这种边缘态与马约拉纳费米子有十分密切的关系。马约拉纳费米子的反粒子就是该粒子本身。另外,马约拉纳费米子还是非阿贝尔任意子... 详细信息

近年来,拓扑超导引起了人们广泛的关注。这是因为拓扑超导体的体内有超导能隙,边界处有拓扑保护的边缘态,这种边缘态与马约拉纳费米子有十分密切的关系。马约拉纳费米子的反粒子就是该粒子本身。另外,马约拉纳费米子还是非阿贝尔任意子,满足非阿贝尔统计,这在实现拓扑量子计算方面有潜在的应用。本文通过建立合理的理论模型,求解Bogoliubov-de Gennes方程,数值地计算了拓扑超导中涡旋的钉扎效应,并且通过杂质的拖拽实现了马约拉纳费米子的编织。首先,我们给出了合理的哈密顿量,并简单地说明了该模型的合理性。接下来,我们我们选取2448?的晶格,分别数值地计算了拓扑平凡态和拓扑非平凡态的涡旋钉扎情况,并通过计算能带说明了临界磁场的取值。计算结果表明在拓扑超导中存在两个涡旋,分别在(12,12)和(36,12)的位置。引入杂质后,涡旋将被杂质拖拽到杂质所在的位置。但是,杂质对涡旋的钉扎效应存在一个临界距离Rc。设以无杂质时涡旋中心的位置为原点,当杂质到原点的距离超过相应的临界距离,涡旋将回到原来无杂质时的位置。我们知道拓扑超导中涡旋很可能联系着马约拉纳束缚态。通过数值地计算本征值和本征矢,我们可以直观地看到两个零能本征值的存在,这更加表明涡旋与马约拉纳束缚态的密切联系。通过计算钉扎后的态密度,我们可以观察到明显的零能峰;零能峰的出现表明杂质对涡旋的钉扎并不会破坏马约拉纳束缚态。综上所述,拓扑超导中杂质对涡旋有钉扎效应,并且钉扎并不会破坏马约拉纳束缚态。因此,我们可以试图利用这种钉扎效应实现对马约拉纳束缚态的编织。然而,当两个涡旋距离较近时,涡旋之间会产生排斥作用,这会在一定程度上减小钉扎的临界距离;另外,钉扎临界距离的存在使我们无法实现两个涡旋在水平方向上的直接交换,这不利于马约拉纳束缚态的交换和编织。因此,我们将晶格扩大到4848?的晶格,发现零能本征值和马约拉纳束缚态仍然存在,也就是说4848?的晶格和2448?的晶格并没有本质的区别。在4848?的晶格中,我们通过缓慢地拖拽涡旋,实现了两个涡旋的交换。另外,通过数值地计算和理论地分析,我们说明了拓扑超导中的涡旋确实联系着马约拉纳束缚态。通过缓慢的钉扎,我们成功地实现马约拉纳束缚态的交换,这对马约拉纳束缚态的编织和拓扑量子计算机的实现都有重要的意义。

关键词：拓扑超导马约拉纳费米子杂质效应涡旋的钉扎非阿贝尔统计

无序及超导相位对拓扑超导异质结输运性质的影响

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无序及超导相位对拓扑超导异质结输运性质的影响

作者：姜华河北师范大学

学位级别：硕士

Majorana费米子满足非阿贝尔统计,是用来执行拓扑量子计算的理想粒子,但是实验上却始终无法找到这种粒子。拓扑绝缘体的发现为寻找Majorana费米子带来了新的曙光,利用拓扑绝缘体近邻耦合超导体可以形成拓扑超导体。由于拓扑物质存在边缘... 详细信息

Majorana费米子满足非阿贝尔统计,是用来执行拓扑量子计算的理想粒子,但是实验上却始终无法找到这种粒子。拓扑绝缘体的发现为寻找Majorana费米子带来了新的曙光,利用拓扑绝缘体近邻耦合超导体可以形成拓扑超导体。由于拓扑物质存在边缘态,而边缘态通常不受扰动的影响,所以可以避免当前量子计算中的退相干和噪声问题,因此有望实现新一代量子计算机-拓扑量子计算机。材料的制备过程中不可避免掺入杂质,通常会展现出不同形式的无序,如:Anderson无序、单表面的Anderson无序、Magnetic无序等。这些无序会影响材料的许多物理性质。然而拓扑材料对无序存在鲁棒性,其性质一般不会受无序的影响,但无序增大到一定程度,拓扑材料会呈现出许多奇异的现象。近年来,拓扑超导中的无序也受到人们的广泛关注。本文构建了拓扑超导异质结,采用非平衡格林函数方法,研究了三种不同无序对二维拓扑超导异质结输运性质的影响。我们发现三种不同无序对拓扑超导异质结输运性质的影响是不一样的。Anderson无序会引起拓扑陈数N(28)2的状态在更宽的范围存在;单表面的Anderson无序对边缘态的破坏比普通的Anderson无序破坏性要强;此外还研究了Magnetic无序对二维拓扑超导异质结输运性质的影响,我们发现磁无序在强度很小时对其边缘态的破坏性就很大,是这三种无序中破坏性最强的。同时还研究了拓扑超导相位对拓扑超导异质结输运性质的影响,通过研究发现超导相位对输运有调制的作用。另外还指出,超导相位在0和(?)的时候对输运的影响尤为明显。

关键词： Majorana费米子拓扑超导无序相位

拓扑超导中的Majorana费米子约瑟夫振荡模型

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量子光学学报 2018年第4期24卷 463-468页

作者：罗运文闽南师范大学物理与电子信息工程学院

构造一个简易的模型描述拓扑超导相中Majorana费米子的约瑟夫振荡,与平庸相中的约瑟夫振荡相比,周期增大一倍.其本质的原因是由于拓扑超导相中发生量子隧穿的Majorana费米子对的电量为e,而平庸相中量子隧穿的库珀对的电量为2e。

关键词：拓扑超导 Majorana费米子约瑟夫振荡

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马约拉纳零能模的输运探测

物理学报 2023年第17期72卷 74-95页

作者：徐磊李沛岭吕昭征沈洁屈凡明刘广同吕力中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心北京100190 中国科学院大学物理科学学院北京100049 松山湖材料实验室东莞523000 合肥国家实验室合肥230000

理论预言拓扑超导体能够承载服从非阿贝尔统计的伊辛任意子—马约拉纳零能模,因而可用于实现容错的拓扑量子计算,是凝聚态领域最受关注的前沿课题之一.本文重点回顾了电学输运手段在研究马约拉纳零能模中的应用.在简要介绍拓扑超导、马... 详细信息

理论预言拓扑超导体能够承载服从非阿贝尔统计的伊辛任意子—马约拉纳零能模,因而可用于实现容错的拓扑量子计算,是凝聚态领域最受关注的前沿课题之一.本文重点回顾了电学输运手段在研究马约拉纳零能模中的应用.在简要介绍拓扑超导、马约拉纳零能模和非阿贝尔统计等基本概念的基础上,对当前实现拓扑超导的多种方案进行了总结.重点介绍了利用低温输运手段探测马约拉纳零能模的实验方法,涵盖了超导/纳米线中广泛使用的电子隧穿谱、库仑阻塞谱和非局域电导探测,以及约瑟夫森器件中使用的(逆)交流约瑟夫森效应探测和电流(能量)相位关系的探测.同时,对利用上述测量手段得到的实验结果可能存在的平庸解释进行了必要的补充和说明.最后对马约拉纳零能模的输运探测进行了总结与展望.

关键词：拓扑超导马约拉纳零能模零偏压电导峰约瑟夫森效应

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铁基高温超导材料的角分辨光电子能谱研究

中国科学：物理学、力学、天文学 2023年第6期53卷 39-59页

作者：王政国黄勇张焱张鹏丁洪北京大学物理学院量子材料科学中心北京100871 南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室南京210093 上海交通大学李政道研究所上海200240

高温超导电性是近代凝聚物理关注的核心问题.高温超导的研究一方面具有重大的应用前景,另一方面推动了多体关联凝聚态物理理论和计算的发展.铁基高温超导材料是除铜氧化物高温超导外的第二类常压条件下的高温超导材料.在对铁基高温超导... 详细信息

高温超导电性是近代凝聚物理关注的核心问题.高温超导的研究一方面具有重大的应用前景,另一方面推动了多体关联凝聚态物理理论和计算的发展.铁基高温超导材料是除铜氧化物高温超导外的第二类常压条件下的高温超导材料.在对铁基高温超导的研究过程中,研究者利用角分辨光电子能谱技术对铁基高温超导材料的电子结构、对称破缺相、超导能隙等进行了详细的研究,为揭示铁基高温超导配对机制提供了重要的实验依据.近些年,角分辨光电子能谱实验更是在一些铁基高温超导材料中发现了拓扑超导存在的证据.本文将对铁基高温超导材料的角分辨光电子能谱相关工作进行总结.

关键词：角分辨光电子能谱铁基高温超导拓扑超导

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手征马约拉纳费米子

物理学报 2020年第11期69卷 246-252页

作者：王靖复旦大学物理系应用表面物理国家重点实验室上海200433

手征马约拉纳费米子是具有手性的无质量费米子,是其本身的反粒子,只能存在于1+1维(即1维空间+1维时间)或者9+1维.在凝聚态物理中, 1维手征马约拉纳费米子可看成1/2分数化的狄拉克费米子,并作为二维拓扑态的边缘元激发.奇数个手征马约拉... 详细信息

手征马约拉纳费米子是具有手性的无质量费米子,是其本身的反粒子,只能存在于1+1维(即1维空间+1维时间)或者9+1维.在凝聚态物理中, 1维手征马约拉纳费米子可看成1/2分数化的狄拉克费米子,并作为二维拓扑态的边缘元激发.奇数个手征马约拉纳费米子边缘态的存在也预示着体系中存在满足非阿贝尔量子统计的伊辛任意子.手征马约拉纳费米子也可进行非阿贝尔编织,理论上可用来实现容错量子计算,因此近年来在凝聚态物理研究中引起了广泛的兴趣.本文从二维拓扑态出发,介绍手征拓扑超导态和量子反常霍尔态之间的深刻联系,并由此得出量子反常霍尔平台转变与超导近邻实现手征马约拉纳费米子的方案,最后以单通道手征马约拉纳费米子为例,探讨其实现电子态的非阿贝尓量子门.

关键词：手征马约拉纳费米子拓扑超导量子反常霍尔效应非阿贝尔编织