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Bogoliubov分段费米面及该体系中马约拉纳零能模的STM研究

批准号:
12104292
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
朱朕
依托单位:
学科分类:
超导与超流
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
朱朕

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
自BCS理论提出后,超电流和磁场对超导体中Bogoliubov准粒子的影响被认为是理解超导体特性的关键。理论预言在超电流作用下可以产生无能隙的超导态,即Bogoliubov准粒子形成的分段费米面。但是由于缺乏动量分辨,人们始终未能观测到该有趣的实验现象。本项目主要研究利用近邻效应在拓扑表面态中引入超导电性,通过表面敏感的扫描隧道显微镜技术,对Bogoliubov准粒子形成的分段费米面进行表征。以期通过极低温和矢量磁场下的准粒子干涉技术获得分段费米面的性质。此外,利用该分段费米面,通过外加量子限制,可以获得马约拉纳零能模。该马约拉纳零能模产生条件具有外加磁场小,无需调节化学势,排除其他低能激发态,大的拓扑能隙等优点,有望为构造拓扑量子比特,实现拓扑量子计算提供了一个新的体系。
英文摘要
The impact of supercurrents and external magnetic field on the behavior of Bogoliubov quasiparticles has been recognized as crucial in understanding the properties of superconductors since the very early days of Bardeen-Cooper-Schrieffer theory. Theoretical physicists have predicted that sufficiently large supercurrent can lead to a gapless superconducting state with segmented Fermi surface of Bogoliubov quasiparticles. However, due to the lack of momentum resolution, the novel phenomenon has never been directly observed. The project focuses on the research of proximitized topological surface states, and exhibit the segmented Fermi surface of Bogoliubov quasiparticles through scanning tunneling microscopy. We anticipate revealing the properties of the segmented Fermi surface via quasiparticle interference under ultra-low temperature and vector magnetic field. Besides, the Majorana zero mode may emerge by quantum confinement of the segmented Fermi surface. This setup has key advantages that include: small required fields, no necessity of fine-tuning of chemical potential, removal of the low-energy detrimental states, and large attainable topological gap. Meanwhile, it provides a new platform for the construction of topological qubit and the realization of topological quantum computation.
在超导领域中,BCS理论预言了利用超电流可以关闭部分超导能隙并产生无能隙的超导态,即Bogoliubov准粒子形成的局部费米面,该现象来源于库珀对动量的多普勒偏移,对Bogoliubov准粒子的研究对于超导的深入理解具有重要意义。但是由于缺乏动量分辨,人们始终未能观测到该有趣的实验现象。此外在超导体中,单个磁性原子可以局域的破坏库伯对,从而产生一系列的能隙内电子态,也就是Yu-Shiba-Rosinov态,实验上对于Bogoliubov准粒子和Yu-Shiba-Rosinov态相互作用研究较少。. 本项目的研究一部分聚焦于拓扑绝缘体-超导体异质结中的Bogoliubov分段费米面。首先制备了该质量的Bi2Te3/NbSe2拓扑绝缘体-超导体异质结,利用近邻效应在拓扑表面态中引入超导电性,由于Bi2Te3表面态的费米速度很大,因此,当NbSe2超导体中库珀对动量还很小时,Bi2Te3表面态中库珀对动量已经很大。利用一个很小的水平磁场在NbSe2表面上产生一个较小的超导电流,这时Bi2Te3表面态中库珀对动量已经足够产生准粒子,从而通过准粒子干涉技术表征分段费米面。此外也研究了2H-NbSe2中不同Yu-Shiba-Rusinov态与Bogoliubov准粒子的相互作用,通过施加面内磁场,调控Yu-Shiba-Rusinov态与Bogoliubov准粒子交叠,表征其相干长度,观察到其波函数震荡消失。最后研究了不同组分Nb2n+1SinTe4n+2的电子动力学。我们通过准粒子干涉测量发现在费米能级处不衰减的驻波,证明该载流子的一维特性。另外,通过表征弛豫长度和准粒子寿命与能量和组分关系,发现其与Tomonaga-Luttinger liquid 理论符合。. 该项目创新性地利用拓扑绝缘体/超导体异质结的特殊性解决了实验中的困难,首次在实验上观察到了50多年前理论预言的分段费米面,并发现可以用磁场方向和大小来调节这个费米面的形状和大小,还能调控拓扑性,构建新的拓扑超导,开辟了调控物态的新方法。研究Yu-Shiba-Rosinov态的相干长度将有助于通过超导系统的远程耦合构建拓扑超导。同时证明是Nb2n+1SinTe4n+2研究一维物理的非常好的平台,而且为后续利用扫描隧道显微镜来研究非费米液体的电子动力学提供了另一种可行方案。
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