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华南师范大学学报（自然科学版） 2018年第1期50卷 61-64页

作者：黄镇华张雨李铭华南师范大学物理与电信工程学院∥广东省量子调控与材料重点实验室广州510006

根据平庸与非平庸拓扑区域以能带的能隙关闭为界的拓扑理论,研究了具有自旋轨道耦合的二维晶格模型拓扑结构.文章首先将KITAEV的majorana拓扑数M(H)推广到二维情况,在动量空间计算了二维晶格的majorana拓扑数和相图.由M(H)=-1确定的非... 详细信息

根据平庸与非平庸拓扑区域以能带的能隙关闭为界的拓扑理论,研究了具有自旋轨道耦合的二维晶格模型拓扑结构.文章首先将KITAEV的majorana拓扑数M(H)推广到二维情况,在动量空间计算了二维晶格的majorana拓扑数和相图.由M(H)=-1确定的非平庸拓扑区与用TKNN宇称确定的非平庸拓扑区完全一致,证明majorana拓扑数与TKNN宇称是一致的.但majorana拓扑数比TKNN宇称的计算简单.文章还计算了有限宽无穷长带的能带和波函数.如果参数取在非平庸参数区(kx=π)则长带的能带显示majorana零能模,而且波函数分布在长带的边界上;如果参数取在平庸参数区,则能带不受拓扑保护,系统不出现零能态,或者出现偶数个零能态.

关键词：二维拓扑超导体自旋轨道耦合拓扑数 majorana零能模

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拓扑绝缘体BiSbTeSe2的超导临近效应

拓扑绝缘体BiSbTeSe2的超导临近效应

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作者：王杰四川师范大学

学位级别：硕士

最近,majorana费米子引起了越来越多的关注,它的本身等于反粒子,并且majorana零能模满足非阿贝尔统计,在制作退相干时间长的量子计算机中具有较大的前景。在凝聚态物理中,majorana零能模被预言存在于拓扑超导的边界。虽然本征的拓扑超... 详细信息

最近,majorana费米子引起了越来越多的关注,它的本身等于反粒子,并且majorana零能模满足非阿贝尔统计,在制作退相干时间长的量子计算机中具有较大的前景。在凝聚态物理中,majorana零能模被预言存在于拓扑超导的边界。虽然本征的拓扑超导体系还具有较大争议,但后来人们发现可以利用s波超导与拓扑绝缘体的结合来构造拓扑超导体系。为了研究这一问题,本论文对三维拓扑绝缘体BiSbTeSe进行了基本的物性表征,研究了三维拓扑绝缘体的超导临近效应,并对其进行了一系列的测量。借助极低温、强磁场的条件,本文对四元拓扑绝缘体BiSbTeSe进行了基本的物性表征。利用微纳加工工艺制备了Hall bar器件,测量了器件的磁阻与Hall电阻,并得到了材料的载流子浓度和迁移率。接下来,我们在三维拓扑绝缘体上制备了超导量子干涉器,对制备工艺进行了一系列的探索,发现超导电极与拓扑绝缘体的界面接触对超导临近有很大的影响,利用等离子体轰击的手段可以解决这一问题并做了详细的研究。之后我们对器件进行了测量,观测到了清晰的临近效应以及超流相位关系。为了更进一步研究其拓扑性质,我们制备了极不对称结,其中大结是Al/Al O/Al结,小结是基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结。同时为了排除准粒子中毒等因素的干扰,我们采用了脉冲测量来探究其跳变电流的分布情况,并通过施加磁场改变相位来探究超流相位关系,最终观测到了一些奇特的双峰分布。为了更好的研究拓扑性质,下一步我们将通过提升材料质量以及使用高频测量来凸显拓扑的信号,为以后的工作打下基础。

关键词：拓扑绝缘体 majorana零能模约瑟夫森效应微纳加工极低温输运极不对称结

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基于一维纳米线超导复合器件的量子输运研究

基于一维纳米线超导复合器件的量子输运研究

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作者：贾仲谋中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

学位级别：硕士

在过去的几十年里量子计算吸引了人们大量的关注,并成为非常重要的研究领域。量子器件是实现量子计算的基础,制备量子器件的关键就是制备可操控的量子比特,然而量子比特退相干为量子计算的研究带来了巨大障碍。由于majorana准粒子受到... 详细信息

在过去的几十年里量子计算吸引了人们大量的关注,并成为非常重要的研究领域。量子器件是实现量子计算的基础,制备量子器件的关键就是制备可操控的量子比特,然而量子比特退相干为量子计算的研究带来了巨大障碍。由于majorana准粒子受到拓扑保护,在交换操作下表现出非阿贝尔的统计性质,因而有望以此制备既可操控又受到拓扑保护的量子比特,实现拓扑量子计算。在凝聚态领域中,majorana零能模可以出现在很多系统中。由于安德烈夫束缚态的行为与majorana零能模的行为非常相似,在很大程度上会带来干扰,因此研究安德烈夫束缚态对majorana零能模的标定具有重要意义。本文主要介绍了一维半导体-超导体复合器件的制备及探测,并对原有工艺进行了改进,排除了量子点的干扰:第一章介绍了在一维纳米线中探测majorana零能模存在的理论依据和实验背景,以及对一维纳米线复合器件进行的制备与测量的方案,并简述其取得的一些成果。第二章介绍了InAsSb纳米线的生长方法,详细讲述了复合器件的加工工艺,介绍了微纳加工的设备及工作原理,测量方案与低温测量平台。第三章介绍了我们对纳米线复合器件的低温测量,研究了安德烈夫束缚态在磁场与电场下的演化行为,探测到超导能隙库仑振荡以及对磁场无响应的安德烈夫束缚态,并对以往实验工艺进行了改进,排除了量子点的干扰。第四章对一维纳米线体系中探测majorana零能模的器件结构与实验方案进行展望,对纳米线构建新型结构器件探测majorana零能模与安德烈夫束缚态的方案进行了讨论。

关键词：拓扑量子计算 majorana零能模 InAsSb纳米线安德烈夫束缚态微纳加工

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拓扑绝缘体Bi2Te3的低温输运研究

拓扑绝缘体Bi2Te3的低温输运研究

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作者：王翔中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

学位级别：硕士

量子霍尔效应打开了凝聚态拓扑领域的大门,陈数的引入与Haldane模型的提出使人们开始发掘物理中拓扑的含义,随着理解的进一步深入,更加常规的拓扑材料被提出并发现,受时间反演对称性保护的拓扑绝缘体受到人们深入的研究,随后更多的拓扑... 详细信息

量子霍尔效应打开了凝聚态拓扑领域的大门,陈数的引入与Haldane模型的提出使人们开始发掘物理中拓扑的含义,随着理解的进一步深入,更加常规的拓扑材料被提出并发现,受时间反演对称性保护的拓扑绝缘体受到人们深入的研究,随后更多的拓扑分类被提出,凝聚态中的拓扑学分支正发展的越来越广泛。拓扑边缘态拥有奇特的性质,人们在此基础上提出构造majorana零能模的方案,由于后者的非阿贝尔统计规则,可以用来构造拓扑量子比特,这成为了近十年来物理学中的研究热门。一维体系的Kitaev模型具有深刻的启发作用,以此衍生了在强自旋轨道耦合纳米线中构造majorana零能模的方案。Fu与Kane提出的三维拓扑绝缘体表面超导邻近实现类p波超导,进一步构造约瑟夫森结,通过调控超导电极相位可以构造出majorana零能模,是非常重要的方案,它具有易于调控与拓展的优越性,基于这一方案我进行了下面的研究工作。第一部分研究了超导电极与三维拓扑绝缘体的超导邻近现象。Fu-Kane模型中,实现majorana零能模的前提是在拓扑绝缘体表面有效地邻近出超导态,邻近超导态的性质进一步决定了majorana零能模的构建,因此了解其中的物理过程是十分必要的。我通过输运测量发现常用体系Al/Ti/BiTe中表现出两种非常规的超导行为:随磁场增大的超导临界电流与增强的临界磁场。我利用VSM、TEM以及EDX等手段发现Ti与BiTe会产生磁性物质,这会导致超导临界电流随磁场先增大后减小。为何会出现增强的临界磁场还需要进一步的研究。第二部分研究了利用反常相位调控约瑟夫森结来实现majorana零能模。如何调控约瑟夫森结的相位是一个关键问题,我首次将自旋轨道耦合与塞曼场导致的反常相位用于构筑majorana零能模。设计“直角结”用于独立调控一半结区的相位,通过数值模拟得到了一半结区相位为π、一半为0的干涉图案,并且与实验数据符合的很好,说明其中一半结区的相位已被调制到π,为下一步在拐角处寻找majorana零能模奠定了基础。我还通过微波测量,发现了直角结的半整数Shapiro Steps,可能来源于0-π结共存或前倾的电流相位关系。第三部分研究了拓扑绝缘体SQUID中的非零动量库伯对(FFLO)现象。由于拓扑绝缘体表面态独特的性质,在受到超导邻近后,容易出现非常规的超导配对,除了类p波超导,还有可能出现净动量非零的FFLO超导。我在输运测量中发现了超导序参量延两个方向振荡的证据,而且与模拟图像较为相符,证明了FFLO超导态的存在。以上三个工作进一步探索了Fu-Kane模型的实现方案,加深了对拓扑绝缘体超导邻近的理解,为构建拓扑量子比特奠定了基础。

关键词：拓扑绝缘体超导邻近 majorana零能模反常相位 FFLO

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