在超导的拓扑晶体绝缘体Sn1-xPbxTe中探测多重Majorana零能模
批准号:
12104293
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:
杨浩
依托单位:
学科分类:
拓扑凝聚态体系
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨浩
中文摘要
Majorana零能模(MZM)作为拓扑超导体中一种新奇的准粒子,因拓扑量子计算的潜在应用成为当前的研究热点。人们已在超导体与拓扑绝缘体形成的异质结中探测到了MZM。最新理论表明超导的拓扑晶体绝缘体中也存在MZM,而且多个MZMs可以共存于一个磁通中心,然而实验上还未探测到该现象。我们前期研究发现调控衬底的温度可制备出高质量的Sn1-xPbxTe-Pb侧向和纵向两种异质结,它们之中都存在很强的超导近邻效应,利用超导针尖从态密度上可直接分辨出其中的拓扑超导电性。因此我们认为如果能够制备出台面较大的Sn1-xPbxTe薄膜,将更有利于探测量子磁通。本项目拟在超导的拓扑晶体绝缘体Sn1-xPbxTe中探测多重的MZMs,并对其特殊性质展开研究,比如MZM实空间中的分布,自旋特性以及量子化电导行为等。该研究不仅有助于理解新型拓扑超导体材料的产生机制,对未来实现拓扑量子计算也起到极大地推动作用。
英文摘要
As a novel quasiparticle in topological superconductors, the Majorana zero mode (MZM) has become a hot topic in current research due to the potential application of topological quantum computation. The MZM has been detected in the heterostructure formed by superconductor and topological insulator. The latest theory suggests that there also exist MZMs in the vortices in the superconducting topological crystalline insulator, for which it's very special that multiple MZMs can coexist in a single vortex. However, this phenomenon has not been detected experimentally. Our previous study found that two high quality Sn1-xPbxTe-Pb lateral and vertical heterostructures can be prepared by adjusting the substrate temperature. There is a strong superconducting proximity effect in both of them, and the topological superconductivity can be directly distinguished from the density of states by using a superconducting tip. Therefore, we believe that if Sn1-xPbxTe thin films with large terraces can be prepared, it will be more beneficial to detect the quantum magnetic vortex. In this project, we intend to detect multiple MZMs in the superconducting topological crystalline insulator Sn1-xPbxTe, and study their special properties, such as distribution of MZMs in real space, spin properties and quantized conductance behavior. This project research not only helps us understand the mechanism of new topological superconductors, but also greatly promotes the realization of topological quantum computing in the future.
在以往的拓扑超导体系中,比如拓扑绝缘体与超导体异质结,铁基超导体,特殊相的过渡金属二硫化物,在其量子磁通涡旋中心都只有单个Majorana零能模。当研究这些孤立的Majorana零能模间的相互作用时,一般是通过面外方向施加不同大小的磁场来改变这些磁通间的距离,磁通相互靠近时,Majorana零能模因之间的杂化而消失。.本项目的研究聚焦于拓扑晶体绝缘体Sn1-xPbxTe中多重的Majorana零能模。理论上预言对于超导的SnTe类拓扑晶体绝缘体,由于晶格对称性的保护,在其量子磁通中心可以容纳简并的Majorana零能模。通过实验,我们发现在超导的80 nm厚的SnTe薄膜磁通里,存在着很强的Majorana零能模,并且零能模在距磁通中心120 nm的范围内都能够存在。通过施加倾斜磁场的方式,我们发现当磁场的面内分量方向沿着SnTe晶格的[110]高对称方向时,磁通中的零能模仍然稳定存在;而当磁场的面内分量方向沿着SnTe晶格的[100]方向时,磁通中的零能模随着远离磁通中心而发生劈裂。结合理论计算,SnTe的拓扑表面态受(110)镜面对称保护,因此磁场沿着SnTe的[110]方向,并未破外体系的晶体对称性,因此磁通中的多重Majorana零能模能够存在,否则磁通中的多重Majorana零能模间将发生杂化而湮灭。.该项目中新型拓扑超导材料的研究,首次验证了理论上多重Majorana零能模可以共存于一个磁通中,这不仅提供了一种调控Majorana零能模间相互作用的手段,而且多重的Majorana态可能为将来实现拓扑量子比特带来新的思路。
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批准号:81371411
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项目类别:面上项目
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资助金额:70.0万元
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批准年份:2013
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负责人:杨浩
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依托单位:
国内基金
海外基金