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拓扑量子输运和器件(I) 《物理学报》专题

已有 278 次阅读 2024-1-4 17:03 |系统分类:论文交流

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拓扑量子输运和器件专题

拓扑量子材料是凝聚态物理领域近年来发展出来的全新研究方向，具有重要的基础科学研究价值及应用前景，输运性质的研究是探索拓扑材料新奇物性的重要手段之一，并为其各种光电器件应用奠定基础。为促进该领域的研究和交流，中国科学院物理研究所翁红明研究员和沈洁特聘研究员组织“拓扑量子输运和器件”专题，从多个方面较为全面和深入地报道该领域的最新研究成果。专题将陆续在《物理学报》刊出，欢迎持续关注！

客座编辑

翁红明，中国科学院物理研究所研究员，曾获日本仁科纪念财团“仁科亚洲奖”，中国科学院“青年科学家奖”，中国科学院“杰出科技成就集体奖”，美国物理学会“Outstanding Referee for 2021”等。主要从事计算凝聚态物理研究，通过发展第一性原理计算方法，研究稀磁半导体、过渡金属化合物等关联电子体系的磁性机理，预测拓扑电子材料并计算其拓扑物性等。

沈洁，中国科学院物理研究所特聘研究员。2013年在中国科学院物理研究所获得博士学位，先后在耶鲁大学（2013—2015年）、荷兰代尔夫特理工大学-微软量子实验室（2015—2019年）做博士后。入选中国科学院高层次人才计划，现担任中国科学院物理研究所怀柔综合极端条件装置-极低温量子输运实验站负责人。2021年获北京市科技新星。先后在Science、Nature、Nature Communications等发表40多篇文章，引用4500余次，h因子17。

文章信息

拓扑半金属-超导体异质结的约瑟夫森效应

Josephson effect in topological semimetal-superconductor heterojunctions

初纯光，王安琦，廖志敏

物理学报, 2023, 72(8): 087401.

doi: 10.7498/aps.72.20230397

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文章导读

拓扑半金属是一类受对称性保护的无能隙量子材料。因其独特的线性能带色散关系，拓扑半金属中涌现出丰富的拓扑物态和量子效应，例如超高载流子迁移率和手征反常（chiral anomaly）。除了体态，外尔点或狄拉克点在表面布里渊区的投影连线可形成非平庸的费米弧表面态（Fermi-arc surface states），同样参与输运过程。实验上也发现了费米弧表面态引起的各种新奇输运现象：π-Aharonov-Bohm效应，Fano干涉及量子霍尔效应等。

近年来，因在拓扑量子计算的潜在应用，拓扑与超导的耦合体系受到广泛关注。实验上，利用高压、点接触、掺杂等技术，人们成功在拓扑半金属中观察到超导现象。另一种实验思路是构建拓扑半金属-超导体异质结构。理论上预言，s波超导体的近邻效应可以在拓扑材料的表面态诱导出p波拓扑超导，从而在磁通涡旋处承载满足非阿贝尔统计的Majorana零能模，被认为是实现容错拓扑量子计算机的主要路径之一，这对于大数据时代日渐提升的算力需求具有重大意义。此外，约瑟夫森效应（Josephson effect）诱导的无耗散电流本身也可以作为一种探针，揭示拓扑半金属中的各类新奇物态。

本文作者团队长期致力于拓扑半金属-超导体异质结研究，取得了一系列创新性的研究成果。作者基于已有的文献报道，结合团队与合作者的工作，对近年来拓扑半金属-超导体异质结约瑟夫森效应的实验进展进行了总结与探讨，并进一步展望了该领域未来的发展前景和应用价值。文章主要从两方面回顾拓扑半金属-超导体异质结体系近年来的实验进展：1）超导电流对拓扑量子态的模式过滤；2）拓扑超导和Majorana零能模的探测与调控。对于前者，利用约瑟夫森电流对电磁场的响应，拓扑半金属中费米弧表面态的弹道输运被揭示，高阶拓扑半金属相被证实（图1），有限动量配对及超导二极管效应被实现。对于后者，通过交流约瑟夫森效应，狄拉克半金属中4π周期的拓扑超导态被发现，纯电学栅压调控的拓扑相变被实现（图2）。

图1 狄拉克半金属Cd₃As₂中的高阶拓扑相（a）面外磁场下的I_c振荡，插图为约瑟夫森结SEM 图片，标尺为2 μm；(b) I_c-B 偏离夫琅禾费图样，可被反对称SQUID模型拟合；(c) 超导电流密度J_c 受限在一维通道

图2 Cd₃As₂纳米线约瑟夫森结中栅压调控的拓扑超导相变（a）（b）栅压调控表面态拓扑相变；正栅压（c）和负栅压（d）下Shapiro 台阶宽度随电压和射频功率的演化，其中负栅压下观测到n = 1 Shapiro台阶的消失

拓扑半金属-超导体异质结体系提供了一个研究拓扑物态的实验平台。除了本文回顾的研究进展，还有许多新奇的量子效应亟待考察。应当指出，由于本身的拓扑属性，相较半导体纳米线，拓扑半金属-超导体异质结体系在Majorana零能模编织与操纵方面具有其自身优势。本文回顾的交流约瑟夫森效应实验中，拓扑超导态的4π周期超导电流都是在无外磁场时观测到的。利用纯电学调控，可以实现拓扑超导态的开关，进而达到对Majorana 零能模实空间位置的操纵。加工规模化的纳米线网络，可以实现满足非阿贝尔统计的拓扑量子计算与信息处理，有望解决量子比特退相干与容错量子计算的关键科学问题，为后摩尔时代的算力提升打下坚实基础。

专题文章网站链接：

http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/topics

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