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中國科大手性拓撲超導體理論研究取得重要新進展

時間:2019-05-07 11:35:29 來源:合肥微尺度物質科學國家研究中心

  近日,中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心(ICQD)張振宇研究組在拓撲量子材料研究中取得重要新進展,為在二維平臺上實現手性拓撲超導體并進一步探測與編織馬約拉納費米子提供了理論基礎與可行性體系。該研究成果以“Chiral topological superconductivity arising from the interplay of geometric phase and electron correlation”為題,5月6日在線發表在權威期刊《自然物理》(Nature Physics,DOI: 10.1038/s41567-019-0517-5)。論文三位作者中的前兩位是ICQD博士后秦維與博士生李磊強。


  馬約拉納費米子的概念源于粒子物理,1937年由馬約拉納提出,其主要特征是自身為自己的反粒子。但歷經幾十年的研究,粒子物理中是否真的存在馬約拉納費米子仍無定論。近年來,凝聚態物理領域的理論學家預言拓撲超導體中的元激發或缺陷態具有馬約拉納費米子的特征;尤為重要的是,馬約拉納費米子遵從非阿貝爾統計,可作為理想組成單元實現容錯拓撲量子計算,因而在當今凝聚態與量子信息領域受到廣泛關注。實現拓撲超導體的理論方案主要有兩類,一類是基于近鄰效應,在常規超導體和拓撲絕緣體組成的異質結界面實現拓撲超導;另一類是實現本征拓撲超導,如通過適當地摻雜將拓撲絕緣體或拓撲平庸的超導體轉變為拓撲超導體。這些方案極大地鼓舞了對拓撲超導體的實驗探索,然而在馬約拉納費米子的確切實驗判據上仍然存在諸多爭議。另外,在以往的理論研究中,決定非平庸拓撲性的幾何相位和誘導超導性的電子關聯都是以“拓撲+超導=拓撲超導”的簡單疊加方式處理。從本質上講,幾何相位和多體效應是電子體系同時具有的兩種關聯屬性;在更深層次理解兩者之間的相互影響,對于實現拓撲超導體具有重要的物理意義。


  在當前的工作中,該團隊首次利用泛函重整化群方法在同一基準線上研究了幾何相位與電子關聯效應間的協同對體系拓撲性和超導性的內在影響。研究的核心結果是,重整化后的幾何相位流向三個穩定不動點[圖(a)],不僅有利于實現拓撲非平庸的手性p-波或f-波超導態[圖(b)],相應的超導穩定性也會顯著增強。進一步,該團隊基于第一性原理計算的結果,預言生長在Ge(111)襯底上的空穴型摻雜的單原子層 Pb3Bi合金是一種新型二維拓撲超導體系,為實驗上探索和編織馬約拉納費米子提供了更為理想的研究平臺。該工作中所借助的微觀理論模型的普適性,也將推動領域尋找其它新型準二維拓撲超導體系。


  值得指出的是,該最新研究成果得益于秦維博士在ICQD攻讀博士學位期間的系統研究,包括借助于近鄰效應在拓撲絕緣體和平庸超導體界面稀磁摻雜實現手性拓撲超導[Phys.Rev.Lett.113,266806(2014)],以及通過在二維Rashba自旋軌道耦合的平庸超導體中稀磁摻雜誘導拓撲量子相變,以獲得本征拓撲超導體[Sci.Rep.6, 39188(2016)]。


  上述研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中科院和安徽省的資助。


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圖:(a)泛函重整化后的幾何相位流向三個穩定不動點;(b)超導配對對稱性相圖。


  論文鏈接:

  https://www.nature.com/articles/s41567-019-0517-5

  http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.266806

  https://www.nature.com/articles/srep39188


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