在人工拓扑超导体磁通涡旋中寻找Majorana零能模

寻找具有拓扑序的新物质态是目前一个非常活跃和令人激动的研究领域.与拓扑绝缘体类似,在超导体中也存在着拓扑非平庸的超导态,它与传统的超导体在拓扑性上是不等价的,这种具有非平庸拓扑序的超导体被称为拓扑超导体.拓扑超导体在体内具有非零的超导能隙,而在表面有无能隙的表面态.理论预言在拓扑超导体中能够实现具有非Abelian统计特性的Majorana费米子. Majorana费米子可以用来构建拓扑量子比特,在拓扑量子计算方面有重大的科研和应用前景.拓扑绝缘体的出现催生出了许多人工拓扑超导体材料.本专题将主要介绍在拓扑绝缘体/超导体异质结中探测Majorana费米子的一系列实验工作.通过对拓扑超导体的研究,人们对超导电性有了全新的认识,有可能找到实现Majorana费米子新奇量子物理性质的方法.     

封面故事

铁基超导体与拓扑绝缘体是当前凝聚态物理研究的热点。铁基超导体是非常规超导体,不同于传统的电声耦合机制的BCS超导体,其超导配对机制的解释仍然是凝聚态物理理论的一个难点。在拓扑绝缘体这类材料中,由于能带的反转,体态仍然保持绝缘态,但是在表面或者边界上存在着导电的金属态。超导体与拓扑绝缘体的结合被认为是实现拓扑超导体和Majorana费米子的一个非常有希望     

在交变外磁场作用下处于迈斯纳态的超导体内的电磁场和能量变化（英文）

本文以一个无限大的超导平板为例,分析它在正弦外磁场作用下处于Meissner态时的电磁场以及能量变化的特征,计算结果表明在准静态外磁场作用下超导体内的磁场、电场以及感应电流都随着透入表面的深度迅速衰减而没有滞后现象.根据超导电流和穿透深度的定义以及London方程,分析了超导体内超导电流与感应电场乘积的物理意义.我们计算并分析了流入超导体的电磁能与内部的磁场能、电场能、超导电子动能之间的转化关系,结果表明这四种能量之间的转化是完全可逆的,超导体内不存在任何损耗.     

铁基超导体的输运性质

在铁基超导体中存在着多种有序态,例如电子向列相和自旋密度波等,从而呈现出丰富的物理现象.输运性质的测量能为认识铁基超导体的低能激发提供极为有用的信息.铁砷超导体由于其电子结构的多能带特性,其电阻率和霍尔系数与温度的关系出现多样性的变化,但在正常态并没有看到有类似铜氧化物超导体的赝能隙打开等奇异行为.在空穴型掺杂的铁基超导体中观测到霍尔系数在低温下变号,对应温区的电阻率上出现一个很宽的鼓包等,可能是从非相干到相干态的转变.热电势行为也表现出与铜氧化物超导体的明显差异,比如铁基超导体的正常态热电势的绝对值反而在最佳掺杂区是最大的,这也许跟强的带间散射有关.能斯特效应表明铁基超导体在Tc以上的超导位相涨落并不明显,与铜氧化物超导体存在明显差别.在铁基超导体上所显示出来的这些反常热电性质,并没有在类似结构的镍基超导体(如LaNiAsO)上观测到,镍基超导体表现得更像一个通常的金属.这些均说明铁基超导体的奇异输运性质与其高温超导电性存在内在的关联,这些因素是建立其超导机理时需要考虑进去的.     

类MgB2硼化物晶体电子结构比较研究

应用准确的第一原理方法 ,对 8种类MgB2 超导体结构的二硼化物进行了电子结构比较研究 ,发现其中的超导体具有特殊的能带属性 .对其在高压下态密度的变化情况做了对照 .     

电流环支承的超导球表面磁场计算

本文基于磁荷模型采用解析方法推证出电流环在超导球表面产生的磁场分布.首先不考虑超导球的抗磁性,由Biot-Savart定律计算出电流环在球面产生的磁场.再根据Meissner态超导体的边界条件,并基于磁荷模型计算出超导球的感应磁场.将电流环产生磁场与超导球的感应磁场叠加得到超导球表面的合磁场.     

高温超导体磁通钉扎和磁通动力学研究简介

超导态是一个宏观量子相干态,其载流子是库珀对.在没有外加磁场和电流的时候,这些库珀对的运动行为用统一的波函数ψ=ψ0eiφ进行描述,其相位φ在宏观尺度上是相同的.当磁场低于一定值的时候,在超导体的边界处穿透深度内会出现一个屏蔽电流来对抗外磁场的侵入,样品处于迈斯纳态.然而,当磁场超过一定值的时候,磁场会进入到超导体中,迈斯纳态被破坏掉,在超导体内形成超导区和正常区及其相应的界面.根据此时这个界面处能量的正负,把超导体分成Ⅰ类和Ⅱ类超导体,分别对应正和负界面能.目前发现的绝大多数超导体都是Ⅱ类超导体,因为界面能为负值,因此进入到超导体的磁场会分离成最细小的单元,以保证最大的界面面积,降低系统能量.该最小的磁通束被称为磁通量子,其磁通量是Φ0=h/2e(h为普朗克常数, e为电子电量).这些磁通线之间有一定的排斥力,因此它们会形成点阵.当外加输运电流的时候,这些磁通线会受到一个洛伦兹力作用而运动,但是运动就会造成能量的损耗,超导体就会因此失去电阻为零的优良品质.通过在超导体中引入一些缺陷、杂质或位错,就可以把磁通钉扎住,超导体仍然可以有零损耗特性,而这个特性可以用于超导体的强电应用.本文将对磁通钉扎和磁通动力学及其研究方法做一点简单介绍.     

手性ABM态p波超导体上临界磁场的角依赖关系

利用格林函数方法,通过Klemm-Clem变换,计算具有正交晶格结构椭球形费米面的手性ABM态p波超导体上临界磁场的角依赖关系.超导序参量选取具有手性ABM对称性的等自旋配对单分量形式.当椭球形费米面满足一定条件时,上临界磁场随角度呈现非单调变化,表明除配对电子有效质量的各向异性外,手性ABM态p波超导体也具有超导序参量的各向异性.计算结果可用于判断重费米子超导体Sr2RuO4的配对电子空间结构.     

钠钴氧超导体的核磁共振研究

文章介绍了利用核磁共振法对含水钠钴氧超导体研究的结果.实验表明,钠钴氧超导体的能隙函数存在线状节点,自旋单态配对.反铁磁自旋关联对超导的发生起重要作用.加水的主要效应是除了增加结晶结构的二维性外,还引发了反铁磁自旋关联.     

正常导体-超导体的界面电子态

用Kalkstein-Soven型格林函数研究了正常导体-超导体的界面电子态,界面态的色散曲线及在几个原子平面上的态密度(DOS)曲线均已得到.有两点值得注意:(1)色散曲线出现断裂,这是正常导体-正常导体界面所没有的,(2)在正常导体一边,头几个原子层的DOS也具有超导体一边的特征.     

高临界温度超导体在低温下的正常态性质

高临界温度超导体在低温下的正常态性质在超导转变温度以上，超导体处于正常态，这时电荷载流子运动伴随损耗，像通常正常金属那样存在一定的电阻．铜氧化合物高临界温度超导体（以下简称高温超导体）的正常态是二维性质的，载流子在铜氧平面内移动容易，而在二个铜氧面之...     

LiFeAs超导体中磁性与声子软化

运用第一性原理密度泛函理论研究了铁基超导体LiFeAs的电子结构和声子谱.计算得到的LiFeAs基态具有涨落的条型反铁磁构型.通过比较LiFeAs在非磁态与条形反铁磁态下的声子态密度,发现,LiFeAs中各向异性自旋互作用的竞争产生了不稳定的自旋密度波和部分晶格位置弛豫,导致Fe和As原子振动模式的软化,从而提高电声子耦合强度.因此,自旋-声子互作用对非常规超导电性有重要贡献. 关键词： 铁基超导体 反铁磁序 超导电性 电声子耦合     

磁场中拓扑物态的量子输运

拓扑物态包括拓扑绝缘体、拓扑半金属以及拓扑超导体.拓扑物态奇异的能带结构以及受拓扑保护的新奇表面态,使其具有了独特的输运性质.拓扑半金属作为物质的一种三维拓扑态具有无能隙的准粒子激发,根据导带和价带的接触类型分为外尔半金属、狄拉克半金属和节线半金属.本文以拓扑半金属为主回顾了在磁场下拓扑物态中量子输运的最新工作,在不同的磁场范围内分别给出了描述拓扑物态输运行为的主要理论.     

La_(2-x)Sr_xCuO_4的高氧压处理与XPS研究

本文采用高氧压对 La_(2-x)Sr_xCuO_4进行处理.高氧压处理(2.3GPa,～800℃)不但对x=0组分及附近的样品提供过量的氧,使之成为超导体,而且可以使无氧缺位的状态保持到x=0.3.但电导率测量表明,高温超导相范围并没有扩展,因此排除了氧缺位的出现使超导相存在范围降低的看法.XPS 测量表明表面完全污染的 La_(2-x)Sr_xCuO_4样品与半导体 La_2CuO_4或 CuO 中 Cu~(2+) 谱一致,而未完全污染的样品表现出很宽的峰,明显包含局域态的 Cu~(2+)及LaCuO_3中的 Cu_(3+)成份.论文首次引入 La3d XPS 谱的伴线来研究超导体的电子态.对于“Clean”La_(1.85)Sr_(0.15)CuO_4及 La_2CuO_4,La3d XPS 谱具有完全不同的结构,前者伴线为 Shakedown,表明较低的费米能级位置,意味着强氧化态.后者为 Shake up,意味着较高的费米能级位置.在超导样品中,无法利用 O_(15)谱来区分污染样品表面还是处在深度氧化态的表面时,可用 La3d 谱来鉴别样品的表面.     

非晶态超导体上临界场与正常电阻率之间的关系

本文研究了非晶态超导体上临界场的dHc_2/dT与正常态电阻率0_m之间的关系,并由此研究了非晶态超导体临界场行为的强耦合效应。讨论了强耦合效应在非晶态超导体临界场行为上反映出的具体特点。     

辅助永磁体的引入方式对单畴GdBCO超导块材磁场分布及其磁悬浮力的影响

通过对永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和方形永磁体在液氮温度、 零场冷、 轴对称情况下磁悬浮力的测量, 研究了三种不同组态中辅助永磁体的引入方式对单畴GdBCO超导块材磁场分布及其磁悬浮力的影响. 实验结果表明, 如果处在超导体上方的测量用方形永磁体N极向下, 则在轴对称情况下, 当方形辅助永磁体N极向上与超导体下表面贴在一起时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N增加到31.8 N, 提高到222%; 当方形辅助永磁体放置在超导体上表面、 N极垂直向上且场冷后去掉辅助永磁体时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N增加到21.6 N, 增加到151%; 当方形辅助永磁体放置在超导体上表面、 N极垂直向下且场冷后去掉方形辅助永磁体时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N减小到8.6 N, 减小为无辅助永磁体时的60%.这些结果说明, 只有通过科学合理地设计超导体和永磁体的组合方式, 才能获得较高的磁场强度, 有效地提高超导体的磁悬浮力特性, 该结果对促进超导体的应用具有重要的指导意义.     

环境气氛对y—Ba—Cu—O超导体的影响

用喇曼光谱观察了 H_2O、CO_2等气氛对 YBa_2Cu_3O_(7-x)超导体的影响,发现加工或存放时此类超导体表面极易受环境气氛的作用,发生超导电性退化.测量了用水溶解后的生成物,发现在特殊条件下超导体可被分解并重新形成 BaCO_3等氧化物.     

超导线的表面区域处理提高其磁场下的输运能力

对超导体在外磁场中的特性进行了归纳,外磁场在超导体中有磁场穿透深度限制,超导体表面有超导壁垒效应和表面钉扎作用,造成了外磁场在超导线表层密度最大而芯部没有磁通穿过.表面钉扎和壁垒效应存在的竞争主要集中在表面刺入超导体的柱形空穴.为了提高超导线在外电场中的输运能力,在制备上常用提高钉扎性能,而这也有阻碍电流的作用,对超导线芯部区域没有提高钉扎作用的必要,反而因为它有害于电流传输.根据这些理论尝试设计出多层结构的超导线,内芯是致密的净超导体晶体结构,外面是与磁场穿透深度厚度相同的一层掺杂、取代等作用提高钉扎性能的外场渗透层,在超导材料表面与包套材料之间是纳米修饰或者其他手段提高表面钉扎能力的连接层,减少连接层的垂直超导线的柱形纳米空穴可提高壁垒效应.这种结构因为减少了常规制备中不考虑内部没有磁通而仍然有钉扎处理材料对载流子的散射作用,这种结构使超导线的输运能力得到了一定提高.     

用两带Ginzburg-Landau理论分析两带超导体Lu2Fe3Si5的表面临界磁场

用两带Ginzburg-Landau(GL)理论分析了Lu₂Fe₃Si₅的表面临界磁场,当超导体的表面与任一主晶面重合,且外磁场平行于超导体的表面时,比值H_c3/H_c2(H_C2是Lu₂Fe₃Si₅的上临界磁场)强烈依赖于温度. 当超导体的表面是bc平面,且 关键词： 两带超导体 GL理论 2Fe₃Si₅')" href="#">Lu₂Fe₃Si₅ 表面临界磁场     

重费米子超导体UPd2Al3与常规超导体Nb之间波函数的量子相干效应

超导体的电子波函数对称性一直是引人注目的重要问题。本研究了波函数为Ｐ态或ｄ态的“高温”重费米子超导体ＵＰｄ２Ａｌ３（Ｔｃ￣２Ｋ）与Ｓ态的常规超导体Ｎｂ之间的量子相干效应。精确测量表明，在一个包括由上述两种超导体组成的Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ结的超导环中，有持续电流产生，且环中磁通是量子化的，每一个磁通量大小为（０．９９±０．０３）ｈ／２ｅ，明确无误的表明这一复合系统中两种对称性不同的波函数位相相干。此