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拓扑绝缘体/超导体异质结中的近邻效应

物理学进展 2021年第3期41卷 113-135页

作者：贺家电丁逸凡滕博伦董鹏李逸飞张忆文吴越珅王靖珲周翔王志李军物质科学与技术学院上海科技大学上海200031 拓扑物理实验室上海科技大学上海200031 物理学院中山大学广州510275

拓扑超导体自身具有对量子退相干天然的免疫性以及可编织性,这使得它在现代量子计算领域中受到了越来越多的重视,并且成为了下一代计算技术中最有希望的候选者之一。由于拓扑超导态在固有拓扑超导体中相当罕见,因此,当前大部分实验上的... 详细信息

拓扑超导体自身具有对量子退相干天然的免疫性以及可编织性,这使得它在现代量子计算领域中受到了越来越多的重视,并且成为了下一代计算技术中最有希望的候选者之一。由于拓扑超导态在固有拓扑超导体中相当罕见,因此,当前大部分实验上的工作主要集中在由s波超导体与拓扑绝缘体之间通过近邻效应所诱导的拓扑超导体上。本论文中,我们回顾了基于拓扑绝缘体/超导体异质结的拓扑超导体的研究进展。在理论上,Fu和Kane提出,通过近邻效应将s波超导体的能隙引入到拓扑绝缘体,可以诱导出拓扑超导电性。在实验上,我们也回顾了一些不同体系中的拓扑超导近邻效应的研究进展。文章的第一部分,我们介绍了一些异质结,包括:三维拓扑绝缘体Bi_(2)Se_(3)和Bi_(2)Se_(3)与s波超导体NbSe_(2)以及d波超导体Bi_(2)Sr_(2)CaCu_(2)O_(8)+δ的异质结,拓扑绝缘体Sn_(1−x)Pb_(x)Te与Pb的异质结,二维拓扑绝缘体WTe_(2)与NbSe_(2)的异质结。此外,还介绍了TiBiSe_(2)在Pb上的拓扑绝缘近邻效应。另一部分中,我们对基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结进行了回顾,包括著名的基于Fu-Kane体系的拓扑绝缘体约瑟夫森结,以及基于约瑟夫森结的超导量子干涉器件。

关键词：近邻效应拓扑超导体异质结约瑟夫森结

电子型FeSe基高温超导体的磁通束缚态与Majorana零能模

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物理学报 2021年第1期70卷 82-99页

作者：陈晨刘琴张童封东来复旦大学物理学系应用表面物理国家重点实验室先进材料实验室上海200438 表面物理与化学重点实验室绵阳621908 人工微结构科学与技术协同创新中心南京210093 中国科学技术大学物理学院合肥微尺度物质科学国家研究中心合肥230026 上海量子科学研究中心上海201315

作为凝聚态物理中一类新奇准粒子态,Majorana零能模(Majorana zero mode)由于可用来实现拓扑量子计算而成为当前的研究热点.理论预言,Majorana零能模可作为特殊的束缚态出现在一些拓扑超导体的磁通涡旋中.但实际超导体磁通中还可能存在... 详细信息

作为凝聚态物理中一类新奇准粒子态,Majorana零能模(Majorana zero mode)由于可用来实现拓扑量子计算而成为当前的研究热点.理论预言,Majorana零能模可作为特殊的束缚态出现在一些拓扑超导体的磁通涡旋中.但实际超导体磁通中还可能存在其他低能束缚态或杂质态,这给Majorana零能模的辨别和具体应用带来了困难.目前实验上寻找合适的拓扑超导体系、分辨出清晰的Majorana零能模仍然是十分迫切的.本文主要介绍最近利用高能量分辨的扫描隧道显微镜,对电子掺杂铁硒类超导体(Li,Fe)OHFeSe和单层FeSe/SrTiO3磁通态进行的研究.实验上在前者的自由磁通中观测到清晰的零能模,并进一步测量到Majorana零能模的重要特征—量子化电导.而在后者磁通中只发现常规Caroli-de Gennes-Matricon(CdGM)束缚态,反映出s波对称性的特征.这系列实验既为Majorana零能模物性的进一步研究提供了合适平台,也为澄清铁基超导体中拓扑超导电性的来源提供了线索.

关键词：磁通涡旋束缚态 Majorana 零能模拓扑超导体量子化电导

基于Yu-Shiba-Rusinov态的拓扑超导理论

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物理学报 2020年第11期69卷 253-258页

作者：李牮西湖大学理学院杭州310024 浙江西湖高等研究院理学研究所杭州310024

Yu-Shiba-Rusinov态是由磁性杂质原子在超导体中诱导出的超导能隙内的束缚态.它们可以作为构造拓扑超导态的基本单元.本文阐述了基于Yu-Shiba-Rusinov态的不同维度拓扑超导的统一理论框架,并通过简单的特例加以解释.这里的理论是理解多... 详细信息

Yu-Shiba-Rusinov态是由磁性杂质原子在超导体中诱导出的超导能隙内的束缚态.它们可以作为构造拓扑超导态的基本单元.本文阐述了基于Yu-Shiba-Rusinov态的不同维度拓扑超导的统一理论框架,并通过简单的特例加以解释.这里的理论是理解多个相关实验的基础.

关键词：拓扑相拓扑超导体马约拉纳费米子磁性杂质 Yu-Shiba-Rusinov态

量子点耦合强度对手性Majorana费米子共振交换的调制

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物理学报 2024年第13期73卷 64-72页

作者：吴海滨刘迎娣刘彦军李金花刘建军石家庄学院理学院石家庄050035 河北师范大学物理学院石家庄050024

本文研究了外部量子点耦合作用下,量子点耦合两个手性Majorana费米子体系的共振交换.为了观察两个手性Majorana费米子的共振交换,提出了一种基于量子反常霍尔绝缘体(QAHI)近邻耦合s波超导体的电路.数值计算的结果表明,通过外部量子点耦... 详细信息

本文研究了外部量子点耦合作用下,量子点耦合两个手性Majorana费米子体系的共振交换.为了观察两个手性Majorana费米子的共振交换,提出了一种基于量子反常霍尔绝缘体(QAHI)近邻耦合s波超导体的电路.数值计算的结果表明,通过外部量子点耦合强度可以调节手性Majorana费米子的共振透射.如果经历了共振隧穿的一个手性Majorana费米子与另一个量子点或Majorana零能模发生共振耦合,则可以实现与超导相位无关的非阿贝尔编织操作.因此所设计方案为Majorana费米子的非阿贝尔编织操作提供一种新的方式,这些发现可能在拓扑量子计算的实现中具有潜在的应用价值.

关键词：拓扑超导体共振隧穿 Majorana费米子编织

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凝凝聚体中的拓扑量子态

物理学进展 2019年第6期39卷 187-241页

作者：金国钧昆明学院物理科学与技术学院南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室人工微结构科学与技术协同创新中心

探寻拓扑上非平庸的凝聚体物质状态,特别是其电子结构和输运性质,是当前凝聚体物理学领域非常重要的前沿研究方向。本文讨论的大多数主题都与电子波函数的拓扑性质有关。全文除简短的引言外,包括拓扑量子现象、各种拓扑相、拓扑性准粒... 详细信息

探寻拓扑上非平庸的凝聚体物质状态,特别是其电子结构和输运性质,是当前凝聚体物理学领域非常重要的前沿研究方向。本文讨论的大多数主题都与电子波函数的拓扑性质有关。全文除简短的引言外,包括拓扑量子现象、各种拓扑相、拓扑性准粒子的异常输运性质、拓扑性集体激发和耦合激发,以及继续发展的拓扑量子态研究五个章节。这些章节着重反映拓扑量子态研究的各个侧面,汇总起来方可以凸显凝聚体中拓扑量子态的全貌。

关键词：量子Hall效应 Berry相位拓扑绝缘体拓扑半金属拓扑超导体 Dirac电子拓扑性激发量子输运

PdxBi2Te3,SrxBi2-yInySe3和IrTe2的超导性质研究

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PdxBi2Te3,SrxBi2-yInySe3和IrTe2的超导性质研究

作者：王显玉山东理工大学

学位级别：硕士

本文针对几种具有不同层间作用力的硫族化合物,分别采取了层内化学替换、层间化学掺杂和离子插层等方法,根据它们晶体结构变化和低温输运性质,解释了层状硫族化合物的物性与结构的内在关系,对PdxBi2Te3,SrxBi2-ylnySe3和IrTe2的超导性... 详细信息

本文针对几种具有不同层间作用力的硫族化合物,分别采取了层内化学替换、层间化学掺杂和离子插层等方法,根据它们晶体结构变化和低温输运性质,解释了层状硫族化合物的物性与结构的内在关系,对PdxBi2Te3,SrxBi2-ylnySe3和IrTe2的超导性进行了研究。获得了如下的创新性成果:1.奇宇称配对被认为是实现拓扑超导的关键因素。在Bi2Se3的体拓扑超导体中,发现了奇宇称配对,产生向列序,向列拓扑超导体在超导状态下会自发地破坏晶体对称性。向列超导可以通过热力学测量、核磁共振测量、ac-x测量、磁转矩测量或磁阻测量等方法观察到。本文成功制备拓扑超导体PdxBi2Te3单晶,Pd原子掺杂到拓扑绝缘体Bi2Te3的范德瓦尔斯层间,拓扑超导体PdxBi2Te3具有5.5K左右的超导电性,在平行于基面的不同磁场方向上,通过测量磁电阻得到其上临界场,平面内的上临界场清楚地显示了一种打破三重晶体对称的两重对称性。这表明Pd掺杂的Bi2Te3是一种类似于Cu、Sr和Nb掺杂的Bi2Se3的向列拓扑超导体。2.拓扑性质起源于强自旋轨道耦合,SrxBi2Se3是一种拓扑超导体。铟元素In的掺杂可以使拓扑绝缘体Bi2Se3转变为普通绝缘体。因此,在SrxBi2Se3中掺杂In可以帮助探索SrxBi2Se3拓扑超导性的起源。本文采用助熔剂法生长了高质量的SrxBi2-ylnySe3单晶。研究了掺杂In元素对SrxBi2Se3的晶体结构和超导性能的影响。随着In掺杂量的增加,晶格参数c和超导体积比均减小。当SrxBi2-ylnySe3样品中的y达到0.05时,SrxBi2Se3的超导状态完全消失,表现出典型的顺磁（PM）行为,证明铟的掺杂可以破坏SrxBi2Se3的超导状态。在以后的研究中,可以用ARPESE进一步探索SrxBi2-ylnySe3样品的拓扑性质。3.硫属化物2D材料的层间的相互作用强于其它2D体系,这导致其能带结构会随层数的变化而剧烈变化。单层或少层的2D材料往往展现出有别于体相的新颖物性。本文通过自助熔剂法生长IrTe2单晶,利用液相剥离法把单晶IrTe2解理至单层或几层。完全抗磁测量中出现两个超导相,得到两个超导转变温度Tc分别为2.4K和3.5K。其中一种超导相是由于解理单晶IrTe2,另一种超导相是由于IrTe2自身的缺陷,由此证明了上清液中的IrTe2存在部分解理成功的单层,本文为解理超导材料提供了一种新的途径。

关键词：拓扑超导体 PdxBi2Te3 SrxInyBi2-ySe3 IrTe2 二维材料解理

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BiS2基超导体物理性质的理论研究

BiS2基超导体物理性质的理论研究

作者：戴昌亮南京大学

学位级别：硕士

超导电性从发现之后就一直是凝聚态物理领域的研究重点。除了寻找新的超导体和研究超导体的性质之外,超导的微观机制也是人们一直关注的重点。BiS2基超导体是最近发现的新型超导体。与铜氧高温超导体和铁基超导体一样,BiS2基超导体也是... 详细信息

超导电性从发现之后就一直是凝聚态物理领域的研究重点。除了寻找新的超导体和研究超导体的性质之外,超导的微观机制也是人们一直关注的重点。BiS2基超导体是最近发现的新型超导体。与铜氧高温超导体和铁基超导体一样,BiS2基超导体也是层状结构。在过去的几年里,实验上发现了很多BiS2基超导体家族的新成员,同时实验上也发现了BiS2基超导体的一些反常的物理性质。与此同时,理论上也有关于BiS2基超导体的第一性计算和重整化群方面的研究。虽然关于BiS2基超导体配对对称性的研究有很多,但是BiS2基超导体是否为常规超导体这一问题一直存在着争论。最近,角分辨光电子能谱实验(ARPES)测量的费米面发现,真实材料的填充浓度要比先前理论研究采用的填充浓度要小很多。基于这一点,我们利用奇异模泛函重整化群(SMFRG)研究了真实的填充浓度下BiS2基超导体配对对称性,得到超导能隙函数的形状因子。并在此基础上,根据平均场方法,确定了能隙大小与温度的关系,随后计算了材料的比热、超流密度和磁化率等性质。首先,我们考虑到ARPES实验测量的费米面,在紧束缚模型中加入自旋轨道耦合项,并选择了一个合适的比较低的填充浓度,作为SMFRG的研究模型。通过SMFRG研究,我们发现,由于自旋轨道耦合,BiS2基超导体超导能隙的配对函数由自旋单重态配对和自旋三重态配对两部分混合而成,并且其中三重态配对占主导。在自旋和晶格同时旋转的操作下,能隙函数具有dx*2-y2对称性,但是在费米口袋上并没有结点线,说明BiS2基超导体拥有的完整的能隙。根据SMFRG方法计算得到的超导能隙的配对函数,我们首先利用平均场方法计算了比热、超流密度以及磁化率与温度的变化关系。我们发现这种dx*2-y2超导体的比热、超流密度和Knight shift三个性质和同样具有完整能隙传统s波超导体是相似,并且同样都是符合实验的测量结果的。不同的是,dx*2-y2超导体虽然和s波超导体同样具有Hebel-Slichter峰,但是强度要小很多,所以更容易被杂质散射所破坏。此外,我们利用T矩阵的方法计算了d*/χ2-y2超导体的准粒子相干散射,并将其与传统s波超导体相比较,对于d*/χ2-y2超导体,杂质散射导致的能隙中间的杂质态与传统s波超导体不同。最后,我们还计算了由于弱拓扑性质带来的无能隙的边缘态,这也是dx*2-y2超导体的一个显著特征。

关键词：超导奇异模泛函重整化群 BiS2基超导体三重态超流密度杂质态拓扑超导体

BC3在第二类范霍夫奇点附近掺杂的电子有序相研究

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BC3在第二类范霍夫奇点附近掺杂的电子有序相研究

作者：王瑶南京大学

学位级别：硕士

对于超导现象的探索是凝聚态领域的重要方向之一。目前,人们一方面在寻找转变温度更高的超导材料;另一方面则是致力于超导微观机理和配对对称性的研究。对于常规超导体,传统的Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)理论已为人们普遍接受。自... 详细信息

对于超导现象的探索是凝聚态领域的重要方向之一。目前,人们一方面在寻找转变温度更高的超导材料;另一方面则是致力于超导微观机理和配对对称性的研究。对于常规超导体,传统的Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)理论已为人们普遍接受。自上世纪80年代,制备出的铜氧化物、铁基等一系列超导材料,它们不能再由传统的BCS理论解释,被人们称之为非常规超导体。其非常规性表现在超导转变温度可能超过McMillan极限,不同于s波的配对对称性,与系统的磁性相关等等。在本文中,我们利用奇异模泛函重整化群方法,研究了单层BC3在第二类范霍夫奇点掺杂附近的电子有序相。第二类范霍夫奇点的动量点没有时间反演对称性,超导配对电子自旋空间不受泡利不相容原理的限制。另外,在范霍夫奇点掺杂附近,电子浓度较高,在能量较低时会出现强的铁磁涨落,从而诱导铁磁序或者三态配对的超导序。我们的结果表明,对于小而有限的Hubbard相互作用,在最靠近BC3范霍夫奇点掺杂处,电子有序相主要是类似于铁磁的自旋密度波,而当电子浓度偏离范霍夫奇点掺杂时,会引发p波超导序。此外,如果存在较小的最近邻键上的排斥相互作用,不论是超导序还是磁性序的失稳温度都明显增加。我们的结果还可以说明,单层BC3是实现p+ip’拓扑超导非常有希望的材料,但只有当相互作用相对较强时,超导转变温度才是相对可观的。由于存在于二维拓扑超导体涡旋中的Majorana费米子满足非阿贝尔的交换统计性质,对于实现拓扑量子计算具有重要意义。因此,从理论和实验上对于拓扑超导体的探索是十分必要的。从这个意义上来说,我们认为对于BC3的研究是重要的。在引言中,简要概述了奇宇称超导配对与拓扑超导体、Majorana费米子之间的关系,并介绍了当前几例可能的本征拓扑超导体的实验进展。第二章首先对BC3的晶格和能带进行了介绍,然后回顾了此前人们对这种材料超导电性的探索。在第三章中,首先给出了泛函重整化群的生成泛函和流方程,接着着重介绍了我们所采用的奇异模重整化群方法。第四章展示了我们计算的结果,包括不同掺杂浓度下电子的有序相,对超导配对对称性的分析,(n,U)相空间的相图及超导失稳温度等等。第五章中,我们对全文进行了总结。

关键词：第二类范霍夫奇点拓扑超导体电子失稳泛函重整化群

拓扑超导材料的超导机制和磁通退火效应的核磁共振研究

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拓扑超导材料的超导机制和磁通退火效应的核磁共振研究

作者：万胜堂扬州大学

学位级别：硕士

根据导电性能的不同,材料可分为导体和绝缘体。拓扑超导体(Topological superconductor)是根据这一新标准划分的一种与众不同的超导体。拓扑超导体的外部有一个厚度约为1nm受拓扑保护的金属态,内部则是超导态。近来,拓扑超导材料的超导... 详细信息

根据导电性能的不同,材料可分为导体和绝缘体。拓扑超导体(Topological superconductor)是根据这一新标准划分的一种与众不同的超导体。拓扑超导体的外部有一个厚度约为1nm受拓扑保护的金属态,内部则是超导态。近来,拓扑超导材料的超导机理仍存在争议,因此有必要在原子尺度上研究其内部微观机制,而核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)就是这样一个有力的手段。NMR技术是指材料中原子核在外磁场中被相应频率的电磁波辐射时,核自旋吸收电磁辐射的能量并过渡到高能状态。固体核磁共振技术由于能从核自旋的角度探测材料的物理性质,具有准确、快速、分辨率高等优点,被广泛应用于探测材料的性质和研究材料性质变化的物理机制。本文的工作主要有三个部分。第一部分,是利用共振频率的方法测量了拓扑超导材料Sr0.15Bi2Se3在不同磁场方向的超导转变温度Tc,并且利用了核磁共振技术来探索拓扑超导材料Sr0.15Bi2Se3中的超导机制。通过观测LC振荡电路的频率来测量样品的超导转变温度,所引起的电路谐振频率变化,成功测量出了拓扑超导材料Sr0.15Bi2Se3的超导转变温度Tc和上临界场HC2(T),在零磁场时测得拓扑超导材料Sr0.15Bi2Se3的超导转变温度Tc为2.2K,与其他课题组报道出来的超导转变温度是一致的。之后又测量了不同磁场方向上的超导相图,发现样品超导性质存在各向异性,当磁场方向与样品c轴成45度时,同样的磁场大小时有更高的Tc。上面的测量结果证明了所使用的新型共振频率技术,是可以用于拓扑超导体物理性质测量的。此外,利用核磁共振光谱以及奈特位移(Knight shift)来研究这种拓扑超导材料中的超导机制。在样品超导转变温度附近测量了核磁共振光谱,通过对核磁共振光谱以及奈特位移的分析,发现测得的奈特位移在超导转变温度附近几乎不随温度下降而改变,未观测到三重态存在的证据。本文的第二部分是关于潜在新型拓扑超导材料制备的一个探索,通过熔融状态下进行退火的方法在拓扑绝缘体BhSe3的母体上进行了 Mo元素的掺杂,制备得MoxBi2Se3。通过XRD表征,证明了制备得到了纯净晶体结构的MoxBi2Se3样品;通过EDX表征,测得样品化学比份为Mo0.3Bi2Se3。第三部分是关于高温超导材料铜氧化物PCCO(Pr2-xCexCuO4-y)的核磁共振研究。这里我们报告一个利用稳态连续射频信号观测磁通涡旋晶格退火现象。在实验中,利用耦合天线互感技术,将连续波信号输入到储能电路。通过测量谐振回路相位的变化,从而表征超导样品中磁通晶格退火行为。这种相位测量方法的优点在于连续波信号的幅度和长度灵活可调,而传统的自旋回波脉冲测量中脉冲信号参数范围受到回波测量的约束,因此新方法可以对参数空间进行广泛的探索,更加有利于研究高温超导材料中的磁通动力学性质。

关键词：拓扑超导体核磁共振奈特位移磁通晶格退火