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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

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中微子是其自身的反粒子吗?

科学通报 2017年第17期62卷 1798-1801页

作者：周顺中国科学院高能物理研究所

中微子振荡实验显示中微子有质量,而有质量的中微子基本性质的研究是当前粒子物理学的前沿热点.本文简要介绍反粒子的概念、马约拉纳费米子以及实验上如何检验中微子是否是其自身的反粒子.这个重要问题的答案将帮助我们探寻中微子质量... 详细信息

中微子振荡实验显示中微子有质量,而有质量的中微子基本性质的研究是当前粒子物理学的前沿热点.本文简要介绍反粒子的概念、马约拉纳费米子以及实验上如何检验中微子是否是其自身的反粒子.这个重要问题的答案将帮助我们探寻中微子质量的起源和超出粒子物理学标准模型的新物理.

关键词：有质量的中微子反粒子马约拉纳费米子无中微子双贝塔衰变

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二维高温超导体中马约拉纳零能模证据的发现

物理 2020年第7期49卷 465-467页

作者：陈澄王健北京大学物理学院量子材料科学中心北京100871 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京100190 北京量子信息科学研究院北京100193

1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)发现描述费米子基本运动的狄拉克方程在特定系数下可以给出实数波动方程解(可改写为马约拉纳方程),以此预言了一种不带电荷且反粒子是其自身的神奇费米子——马约拉纳费米子(Maj... 详细信息

1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)发现描述费米子基本运动的狄拉克方程在特定系数下可以给出实数波动方程解(可改写为马约拉纳方程),以此预言了一种不带电荷且反粒子是其自身的神奇费米子——马约拉纳费米子(Majorana fermion)^([1])。此后80多年来,无数物理学家一直致力于寻找这类神秘莫测的马约拉纳费米子。在粒子物理领域,不带电的中微子被认为很可能是马约拉纳费米子,但至今仍未有定论。

关键词：马约拉纳费米子狄拉克方程波动方程马约拉纳零能模中微子反粒子高温超导体粒子物理

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蜂巢晶格伊辛超导体中的拓扑态和涡旋态研究

蜂巢晶格伊辛超导体中的拓扑态和涡旋态研究

作者：商敬龙宁波大学

学位级别：硕士

在凝聚态物理学中,非常规超导电性一直是比较热门的研究领域。近年来许多二维材料如石墨烯、单层Nb Se、Mo S,相继被报道出超导电性,除此之外还有发现的铁基超导和过渡金属二硫族化物(TMDs)中的伊辛(Ising)超导电性,并展现出了丰富的物... 详细信息

在凝聚态物理学中,非常规超导电性一直是比较热门的研究领域。近年来许多二维材料如石墨烯、单层Nb Se、Mo S,相继被报道出超导电性,除此之外还有发现的铁基超导和过渡金属二硫族化物(TMDs)中的伊辛(Ising)超导电性,并展现出了丰富的物理性质。在二维的超导体中,磁性杂质链的两端和两个涡旋态的中心可以激发出一对马约拉纳(Majorana)费米子态。在凝聚态物理中,实现对Majorana费米子态的激发和操纵,可以实现信息的编译与存储,是实现拓扑量子计算的一种可能。二维过渡金属硫族化物(TMDs),与石墨烯类似但是破缺了面内镜像对称,这可以导致了强的自旋轨道耦合(SOC),并打破谷简并,形成自旋-谷锁效应。因为这种自旋-谷锁效应,使得过度金属二硫族化物成为了研究自旋电子学与谷电子学的理想材料,这为下一代的电子器件研究提供了一个非常理想的理论与实验研究平台。本文主要研究二维蜂巢晶格的伊辛超导在加入磁性杂质链和在磁场中的电子性质,主要讨论晶格体系的拓扑属性和涡旋态的物理特性,着重探讨了伊辛自旋轨道耦合对各种属性的影响,包括体系的超导电性、能谱、态密度、磁矩等物理量。当加入外场时,伊辛自旋轨道耦合(ISOC)是超导电性响应外磁场各向异性的原因。在无杂质的情况下,本征的在位(on-site)自旋单重态超导配对和伊辛自旋轨道耦合可以诱导出自旋相反的自旋三重态超导配对关联。当加入一个自旋磁矩沿面内方向的磁性杂质链时,等自旋三态超导配对关联可以被诱导出来。低能能谱随着磁性杂质链自旋交换耦合强度的变化形成沙漏的形状,而沙漏状能谱的腰部正好为拓扑平庸和拓扑非平庸区域的分界线。在拓扑非平庸参数区域内,磁性杂质链的两端将会出现一对Majorana费米子,理论计算的Majorama费米子态的局域态密度(DOS)与实验观测符合的很好。在文章第二部分我们讨论伊辛类型的超导体系在垂直磁场中产生的涡旋态。伊辛自旋轨道耦合在涡旋的核心处可以引起一个弱的铁磁序。在非常低的温度区域,铁磁序的快速增加防止涡旋核尺寸随着温度降低进一步缩小,在低温区域这导致了一个较大的饱和值。温度的增加会增大涡旋的尺寸。当伊辛自旋轨道耦合强度为零时,局域态密度的能量依赖性显示出一系列离散的能峰,这些能峰对称的分布在零能附近,且局限于涡旋核心区域的能隙边界之内。当伊辛自旋轨道耦合存在时,依赖于能量的局域态密度关于零能峰的对称性被打破,两侧的能峰趋向于合并到近零能束缚态上。计算表明,TMDs中的ISOC可能是导致在TMDs超导体涡态实验中观察到的接近零能峰的一个因素。

关键词：过渡金属二硫族化物伊辛超导体马约拉纳费米子涡旋态

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掺杂陈绝缘体的超导电性研究

掺杂陈绝缘体的超导电性研究

作者：郑悦南京航空航天大学

学位级别：硕士

近年来,随着拓扑量子计算领域的迅速发展,拓扑超导体作为可能实现马约拉纳费米子的重要载体之一,其性质和构造方式受到了广泛的关注和讨论。这种特殊拓扑相的体态能带具有超导能隙,边界处存在受拓扑保护的无能隙边缘态,而这种边缘态与... 详细信息

近年来,随着拓扑量子计算领域的迅速发展,拓扑超导体作为可能实现马约拉纳费米子的重要载体之一,其性质和构造方式受到了广泛的关注和讨论。这种特殊拓扑相的体态能带具有超导能隙,边界处存在受拓扑保护的无能隙边缘态,而这种边缘态与马约拉纳费米子之间有着相当密切的关联。马约拉纳费米子作为一种非阿贝尔任意子,具有非局域的拓扑性质,其量子相干性相对于其他粒子而言很难受到局域噪声与退相干的影响,这对于从硬件上实现拓扑量子计算有着巨大的应用价值。本文主要研究的是在二维陈绝缘体中引入磁性掺杂构造而成的内禀拓扑超导体。通过建立合理的理论模型,我们数值地研究了该掺杂陈绝缘体系统的拓扑性质,给出了体系的拓扑相图,并借助系统的体态-边缘态能带图和局域态密度(LDOS)等方法直观地验证了拓扑非平庸态下边缘态的存在以及手征拓扑超导态下马约拉纳束缚态的存在。首先,我们在掺杂拓扑陈绝缘体的基础上建立了有效的二维拓扑超导体模型,选取了48×48的四方晶格作为主要研究对象,在给定的参数范围内自洽求解了Bogoliubov-de Gennes方程,得到了塞曼场作用项m、能带占据数n以及超导序参量△之间的约束关系。接下来我们通过能带的贝利相位计算了体系在不同参数下的拓扑不变量——即陈数,计算结果将体系的整个参数空间分为四个拓扑不等价的量子态:金属态、N=0的普通超导态、N=1的拓扑超导态,以及N=2的拓扑超导态。在拓扑相图的基础上我们进一步画出了不同状态下系统的体态-边缘态能带图,从图中可以清晰地观察到边缘态的行为,同时在局域态密度的谱线上也可以观测到与边缘态对应的零能共振峰。结果表明,在N=1的手征拓扑超导相中存在一对受拓扑保护的马约拉纳束缚态,分别位于开放边界的两侧,对应的费米子算符可以相应地构造成马约拉纳费米子算符的形式。与此同时,在拓扑平庸的N=0普通超导态和N=2的拓扑超导态的局域态密度图中也同样出现了零能峰,这说明局域态密度谱线中的零能峰单纯地与系统边界处的零能边缘态对应,并不能作为马约拉纳费米子存在的充分判据。此外,我们还探讨了准一维情况下体系的拓扑性质,通过对零能附近本征值的研究,我们发现,准一维情况下系统边界态所对应零能本征值的数量和二维情况下有一定区别,同时,塞曼场项m符号的改变将会引起系统拓扑性质的变化。出现上述现象的主要原因是准一维情况下,系统的旋转对称性破缺,动量空间的连续坐标和实空间中离散的格点位置不能形成完全的对应。

关键词：拓扑超导马约拉纳费米子手征边缘态拓扑相变陈绝缘体

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非均匀拓扑超导体系中的马约拉纳束缚态解

非均匀拓扑超导体系中的马约拉纳束缚态解

作者：付伟电子科技大学

学位级别：硕士

1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳提出了狄拉克方程的一个对称的解。这个解描述了一种自身为其反粒子的费米子,也被称为马约拉纳费米子。马约拉纳的工作对基本粒子物理产生了深远的影响,尤其是中微子物理。现在对于是否存在马约... 详细信息

1937年,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳提出了狄拉克方程的一个对称的解。这个解描述了一种自身为其反粒子的费米子,也被称为马约拉纳费米子。马约拉纳的工作对基本粒子物理产生了深远的影响,尤其是中微子物理。现在对于是否存在马约拉纳费米子作为基本粒子至今仍没有定论。最近10多年,马约拉纳费米子的概念已经不仅停留在基本粒子物理领域。他推导得出的方程很自然地出现在描述处在超导态金属的电子态。当考虑一维或者二维超导体系时,超导体系可能产生具有马约拉纳费米子性质的零能准粒子激发态,也被称为马约拉纳束缚态或者马约拉纳费米子。同时,因为其具有非阿贝尔统计的性质,使得它们在量子计算中具有巨大的潜在应用价值。本论文着眼于研究目前实验上广泛采用的拓扑超导纳米线中马约拉纳束缚态的解。该模型利用具有较强电子自旋轨道耦合的半导体纳米线置于外加磁场下,并通过临近耦合到s-波超导体的方式诱导产生超导项,调节塞曼场和化学势能等参数,实现纳米线的拓扑相变,从而得到马约拉纳束缚态。我们主要利用试探波函数的方法。试探波函数的方法,比一般用变分方法求解零能附近能量本征值更加具有优势,它理论上可以给出系统所具有的所有能量本征值和本征波函数。本文的内容安排如下:1.采用试探波函数方法,我们分析了单段有限长度纳米线的BdG方程的解。结合数值计算,得到了马约拉纳束缚态能量的劈裂随外加塞曼场和化学势的变化性质。我们还求解了马约拉纳束缚态波函数的概率密度、不同自旋部分波函数的概率密度、所具有的电荷密度在各种参数下在纳米线中分布。文章还着重地解析和数值地分析了马约拉纳束缚态能量劈裂随体系的长度的变化关系。最后我们简单地将试探波函数方法应用到了具有时间反演不变性并实现马约拉纳克拉默对的超导体系。2.利用波函数在连接处的连续条件,试探波函数的方法还可以应用到求解两段具有不同化学势的非均匀拓扑纳米线中的马约拉纳束缚态。我们得到了能量本征值随较短一段纳米线化学势变化的性质。利用求解得到的波函数,文章中给出了不同化学势下波函数的概率密度以及所带电荷密度在纳米线上的分布。最后我们得到波函数分布在短的一段纳米线的总概率随该段纳米线化学势的变化。

关键词：马约拉纳束缚态马约拉纳费米子拓扑超导体拓扑超导纳米线试探波函数法

无中微子双贝塔衰变重中微子的交换机制 ——核子有效势的计算

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无中微子双贝塔衰变重中微子的交换机制 ...

作者：陈友才吉林大学

学位级别：硕士

目前,对于轻子数守恒的贝塔以及双贝塔衰变,我们可以用粒子物理的标准模型来描述。如果中微子是马约拉纳费米子,在某些原子核内将有可能产生轻子数破坏的无中微子双贝塔衰变,因此对于这种现象我们不能再简单地使用标准模型。本文中,在... 详细信息

目前,对于轻子数守恒的贝塔以及双贝塔衰变,我们可以用粒子物理的标准模型来描述。如果中微子是马约拉纳费米子,在某些原子核内将有可能产生轻子数破坏的无中微子双贝塔衰变,因此对于这种现象我们不能再简单地使用标准模型。本文中,在手征有效理论的框架下,首先我们从手征有效拉氏量出发,写出了无中微子双贝塔衰变的各种相互作用顶点,展示了无中微子双贝塔衰变重中微子交换的机制。其次我们计算了在无中微子双贝塔衰变重中微子交换下核子之间相互作用的有效势。最后我们将计算的有效势结果与轻中微子交换下无中微子双贝塔衰变核子有效势做了对比。

关键词：马约拉纳费米子无中微子双贝塔衰变轻子数破坏

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量子计算机的科学阴影

环球财经 2021年第5期 12-12页

作者：骆驼(整理) 不详

1937年,意大利物理学家埃托尔·马约拉纳(Ettore Majorana)在论文中预测认为,存在一种反粒子与自身相同的粒子,这就是马约拉纳费米子。今天,包括微软在内的很多公司都希望用马约拉纳费米子来赢下量子计算机竞争,因为这些粒子有望构成稳... 详细信息

1937年,意大利物理学家埃托尔·马约拉纳(Ettore Majorana)在论文中预测认为,存在一种反粒子与自身相同的粒子,这就是马约拉纳费米子。今天,包括微软在内的很多公司都希望用马约拉纳费米子来赢下量子计算机竞争,因为这些粒子有望构成稳定的量子比特。

关键词：马约拉纳费米子量子计算机反粒子量子比特物理学家