拓扑超导体与量子点结构中非简并能级的全计数统计

利用占据数方程研究拓扑超导体与量子点中非简并能级的全计数统计.在有限温度与偏压下,将计数统计的各阶累计矩表示为特征多项式的各项系数及其导数.通过计数统计,Majorana费米子总是导致微分电导峰,与费米子宇称是否简并无关.在大偏压区,噪声明显增大,呈超泊松分布.当费米子宇称非简并时,噪声减小,呈亚泊松分布.偏离度在大偏压区对Majorana费米子更为敏感.说明有限温度与有限电压条件下的电流全计数统计可以表征Majorana费米子.

面向量子计算的拓扑超导体材料、物理和器件研究

鉴于“摩尔定律”已经逼近极限,众多替代传统计算的方法被提出,其中量子计算是最受关注和研究最广泛的一种.由于量子体系的不可封闭性,外界大量不可控的因素会导致量子耗散和退相干,为了尽可能避免量子叠加态的退相干,制备具有鲁棒性的量子比特成为了关键环节之一.马约拉纳零能模是拓扑和超导复合体系中涌现的准粒子,具有非阿贝尔统计性质,它的时空编织受到非局域的拓扑性质保护,因此,以马约拉纳零能模构造的拓扑量子比特对量子退相干具有天然的鲁棒性.虽然经过全球范围内各个实验组艰苦卓绝的探求,目前关于马约拉纳零能模的实验验证仍然扑朔迷离.本文回顾了量子计算的发展历程和主要的技术手段,重点介绍了拓扑超导态/体的理论、可观测的实验现象、以及最新的实验研究进展,并对此做出了分析和评述.最后对拓扑超导态/体在量子计算领域的应用前景进行了展望.

二维拓扑超导体拓扑数的计算

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.

高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体简介

近期,高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的概念激发了广泛关注和研究兴趣.由于新的体-边对应关系,在同一维度高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的边界态的维度要低于一阶(或称传统)拓扑绝缘体和拓扑超导体的边界态.本文阐述了高阶拓扑物态和一阶拓扑物态的联系.具体展示了在同一维度上如何利用对称性的破缺从一阶拓扑物态转变为高阶拓扑物态,以及如何利用低维的一阶拓扑物态构造高维的高阶拓扑物态;回顾了高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的研究进展.通过对近期的研究进展的回顾,可以看出这一新兴领域虽然研究进展迅速,但对电子型的高阶拓扑绝缘体和高阶拓扑超导体的性质的理论研究和实验研究均处在非常初级的阶段,要对这一新兴领域有更深更全面的理解认识还有待更多的研究投入.

量子点一拓扑超导体异质结构中Majorana费米子的电导特性

本工作利用条件性量子主方程的方法来研究Majorana费米子在与量子点耦合作用下的电流与电导的性质。实验将一个马约拉纳束缚态与一个量子点相连，量子点与两个常规电极相连，称为点-马约拉纳束缚态系统。系统电流变化受Majorana费米子影响。在非零温有限电压条件下，电流曲线呈阶梯状分布，阶梯位置对应系统能量的本征值。在零偏压附近出现显著的电导峰反映了Majorana费米予的存在。

拓扑超导体FeSexTe1-x单晶超导性能与磁通钉扎

铁基超导体FeSexTe1-x由于其具有上临界场高、各向异性小、临界电流密度大等优点,备受研究者的广泛关注.本文采用自助溶剂法生长得到了几种Se/Te组分比例不同的FeSexTe1-x单晶样品,对其结构和形貌进行了表征,并且对样品在低温下的磁性进行了测量.对样品超导态下临界电流密度、磁通钉扎力和磁场的关系进行了分析,讨论了样品在低温下的磁通钉扎模式.通过分析Se和Te的不同比例对上述性能的影响,确定了超导性能最佳的组分,为今后进一步研究FeSexTe1-x的超导与拓扑性质提供了参考.

拓扑超导体和马约拉纳费米子

不同于传统超导体,拓扑超导体是边缘态具有马约拉纳束缚态的新型量子体系,因其可承载"神秘"的马约拉纳费米子成为科学界尤其是凝聚态物理学界最受关注的前沿焦点之一。简要介绍了拓扑超导体和马约拉纳费米子的基本概念,总结和回顾了实现拓扑超导相和马约拉纳费米子的理论方案及近期观测马约拉纳费米子的代表性实验进展。

Cu_xBi_2Se_3拓扑超导体研究进展及其掺杂特性

在类石墨烯结构的Bi2Se3拓扑绝缘体夹层中化学掺杂Cu原子形成CuxBi2Se3。Cu含量为12at%~15at%,温度为3.8~4.2K时,CuxBi2Se3块体内呈现超导电性,称之为拓扑超导体。CuxBi2Se3拓扑超导体是一种时间反演不变超导体,体电子态为满带能隙超导态,表面为无能隙Andreev束缚态,并且由于强自旋-轨道耦合效应具有三维狄拉克能带结构。科学家在CuxBi2Se3拓扑超导体中捕捉到了长期以来寻找的零质量零电荷的马拉约那费米子。马拉约那费米子不被附近的粒子、原子吸引或排斥,强烈对抗无序和杂质,这种容错特性将有效保护脆弱的量子态不受侵害,为将来自旋量子学和量子计算机的实现提供新平台。本文针对CuxBi2Se3拓扑超导体这一新型量子材料论述其理论和实验研究进展,然后结合材料科学学科特征论述CuxBi2Se3掺杂特性和反位缺陷形成特征,提出通过控制反位缺陷浓度和合理掺杂提高CuxBi2Se3的物理和化学性能的理论。

拓扑绝缘体/超导体异质结中的近邻效应

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。

电子型FeSe基高温超导体的磁通束缚态与Majorana零能模

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.

拓扑超导表面态涡核内部束缚态研究

近年来,拓扑超导体的研究引起了人们极大的兴趣。特别是对于马约拉纳零能模(MZM)的研究,由于其在拓扑量子计算机中有着重要应用。在本文中,我们研究了一个8 × 8 Bogoliubov-de Gennes哈密顿量的系统,该系统具有粒子空穴对称性。我们介绍了该系统的拓扑相图,分析了系统表面束缚态的最低能量与角动量之间的关系。此外,我们还分析了该系统在拓扑平庸和非平庸的情况下是否存在MZM,并求解了相应的波函数。

基于Yu-Shiba-Rusinov态的拓扑超导理论

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.

凝凝聚体中的拓扑量子态

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。

探索超导材料 奏响科研新华章——记北京理工大学物理学院特别研究员王秩伟

失败并不可怕.作为物理学的重要分支,拓扑材料和高温超导材料作为当前的研究热点被广大学者高度关注。王秩伟介绍道:拓扑是一个数学概念,是指几何图形或空间在连续改变形状后还能保持原来的一些性质。在物理学中,拓扑材料包括拓扑绝缘体、拓扑超导体、拓扑半金属等量子材料,是近几年发展起来的前沿科学研究。而高温超导材料近几十年来,一直是凝聚态物理的研究重点和热点,发现新高温超导体甚至是室温超导体,始终是超导研究领域追求的目标。

双量子点与Majorana费米子级联结构中的散粒噪声

考虑两个量子点分别与拓扑超导纳米线两端的Majorana费米子串联耦合,利用粒子数表象下的量子主方程,研究其中电子的输运特性.存在Majorana费米子时,稳态电流差随着隧穿率的增大呈非对称分布,电子散粒噪声谱相干振荡,且零频噪声明显增强.当系统耦合强度变化时,散粒噪声进一步揭示了Majorana费米子对体系电荷输运的影响.因此,电流差结合电子散粒噪声可以表征量子点与拓扑超导体混合结构中是否存在Majorana费米子.

金刚石单自旋体系在量子信息领域应用广泛

凝聚态体系中拓扑物相的发现革新了对量子物质基本相的认识。在过去的十多年里,人们在寻找新奇拓扑物质方面取得了大量突破,发现了诸多新的拓扑相,如量子霍尔效应、对称保护的拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑超导体等。尽管如此,在理论预言的众多拓扑相中,目前仍只有很小的一部分在凝聚态实验中被观察到。量子模拟作为一种前沿的技术,可以超越真实体系所受的限制,为探索和研究各种奇异的量子物相提供一种强有力的手段。

拓扑量子材料简介

近20年来,拓扑量子物态和材料已成为凝聚态物理领域最为重要、发展最快的前沿领域之一。文章简单回顾这一领域的研究进展,介绍包括拓扑材料体系、磁性拓扑材料、拓扑超导体及相关物理。这些材料涉及的研究范畴广泛,未来可能推动电子学、自旋电子学、光学等各个方向的基础研究和产业发展。

量子点耦合强度对手性Majorana费米子共振交换的调制

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.

运用高压技术设计和研制超导材料新体系

本文介绍运用高压技术发现的几类超导材料新体系,包括(1)顶角氧有序型(简称"顶角氧"系)、Cu12(n-1)n(简称"铜系")和Cl2(n-1)n(简称"卤系")等3类铜基超导材料体系:它们只含铜和碱土氧化物,是构成铜基超导的最简单组分;这些体系在常压的超导温度(T_c)可媲美Y123、Bi系、Hg系等组分复杂的铜基超导材料,"铜系"的T_c可高达123 K,Cl212是第1个含卤素的液氮温区超导体;"顶角氧"有序化将同结构的铜基超导材料的转变温度提高1倍以上,刷新了单层铜氧面结构铜基超导材料的Tc记录;新体系的高温载流特性名列前茅,"铜系"在液氮温区的临界电流特性优于Bi系、Hg系,与Y123相当.(2)铁基超导材料主要体系之一的"111"体系:"111"体系组分结构简单,易于揭示铁基超导核心要素.它的解离面无极性,表面和体态结果严格一致,为通过角分辨光电子能谱(ARPES)和扫描隧道显微镜(STM)等先进表征技术揭示铁基超导的本征物性提供了理想结构载体.主要成员LiFeAs具有无Fermi面嵌套的重要特征,表明Fermi面嵌套并非实现铁基超导必要条件,扭转了此前基于铁基其他体系的费米面嵌套对机理的流行认识.(3)Bi_2Te_3拓扑化合物超导体:实现无需化学掺杂引入载流子,揭示了国际上首个压力诱导的拓扑化合物超导.

美国康奈尔大学科学家获得100万资助

美国纽约州伊萨卡市康奈尔大学的科学家从、WM获得了100万美元。凯克基金会创建了一种特定的拓扑超导材料。该团队的跨学科项目“奇偶校验拓扑超导体的材料设计方法”建立在广泛的理论计算基础之上,可以实现稳定和可扩展的量子计算技术。