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.     

Majorana费米子与拓扑量子计算

1937年,Majorana发现Dirac所提出的相对论性协变的电子波动方程,在另一个表象下所得到解可以描述不带电荷的费米子,具有与Dirac费米子不同的性质。在基本粒子领域,对这种Majorana费米子的寻找至今一直在进行中;而在凝聚态物理领域,对拓扑超导体和分数量子霍尔态的研究,人们已经发现了与Majorana费米子有相同行为的准粒子。特别是在二维拓扑超导体系中出现的涡旋元激发包含了零能量的Majorana准粒子,它们在交换操作下表现出非阿贝尔的统计性质,因而有望借以实现拓扑量子计算。文章系统地介绍了凝聚态物质系统中获得Majorana费米子的理论模型和物理实现,并进一步介绍了与之相关的拓扑量子计算的实现方法。     

双量子点结构中Majorana费米子的噪声特性

Majorana费米子是其自身的反粒子, 在拓扑量子计算中有着重要的应用. 利用粒子数表象下的量子主方程方法, 研究双量子点与Majorana费米子混合结构的电子输运特性, 特别是散粒噪声. 有无Majorana费米子耦合的电流与散粒噪声存在明显差别: 有Majorana费米子耦合时稳态电流差呈反对称, 噪声谱呈现相干振荡并且低频噪声显著增强. 量子点与Majorana费米子对称弱耦合时, 零频噪声由"峰"变为"谷", 并且"边谷"展宽逐渐减小; 当对称强耦合时, 零频噪声的谷深增加, "边谷"向高频端移动. 改变系统与电极的耦合强度时, 零频噪声由谷变成峰. 因此, 稳态电流结合散粒噪声可以探测双量子点结构中Majorana费米子是否存在.     

拓扑半金属-超导体异质结的约瑟夫森效应

拓扑半金属是一类受对称性保护的无能隙量子材料.因其相对论性能带色散关系,拓扑半金属中涌现出丰富的量子态和量子效应,例如费米弧表面态和手征反常.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.本文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,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.本文最后展望了拓扑半金属-超导体异质结体系的发展前景和在Majorana零能模编织和拓扑量子计算上的潜在应用.     

Majorana零模式的电导与低压振荡散粒噪声

Majorana零能量模式是自身的反粒子,在拓扑量子计算中有重要应用.本文研究量子点与拓扑超导纳米线混合结构,通过量子点的输运电荷检测Majorana零模式.利用量子主方程方法,发现有无Majorana零模式的电流与散粒噪声存在明显差别.零模式导致稳态电流差呈反对称,在零偏压处显示反常电导峰.电流差随零模式分裂能的增大而减小,随量子点与零模式耦合的增强而增大.另一方面,零模式导致低压散粒噪声相干振荡,零频噪声显著增强.分裂能导致相干振荡愈加明显且零频噪声减小,而量子点与零模式的耦合使零频噪声增强.当量子点与电极非对称耦合时,零模式使电子由反聚束到聚束输运,亚泊松噪声增强为超泊松噪声.稳态电流差结合低压振荡的散粒噪声能够揭示Majorana零模式是否存在.     

重费米子材料与物理

作为典型的强关联电子体系,重费米子材料表现出丰富的量子基态,如反铁磁序、铁磁序、非常规超导、非费米液体、自旋液体、轨道序和拓扑态等.相比其他强关联电子体系,重费米子体系的特征能量尺度低,可以通过压力、磁场或掺杂等参量对不同量子态进行连续调控,因而是研究量子相变、超导及其相互作用的理想体系.本文简要介绍重费米子研究的发展历史和国内外研究现状,概述几类典型的重费米子材料,并简单阐述重费米子超导、量子相变和强关联拓扑态等前沿科学问题.     

玻色-费米超流混合体系中的相互作用调制隧穿动力学

研究了玻色-费米超流混合体系中的相互作用调制隧穿动力学特性,其中玻色子位于对称双势阱中,费米子位于对称双势阱中心的简谐势阱中.采用双模近似方法得到描述双势阱玻色-爱因斯坦凝聚的动力学特性方程组,并将其与简谐势阱中分子玻色-爱因斯坦凝聚的Gross-Pitaevskii方程进行耦合.通过对不同参数下玻色-费米混合体系中的隧穿现象进行数值研究,发现简谐势阱中费米子与双势阱中玻色子的相互作用使双势阱玻色-爱因斯坦凝聚的隧穿动力学特性更加丰富.不但驱使双势阱中玻色-爱因斯坦凝聚从类约瑟夫森振荡转变为宏观量子自囚禁,而且宏观量子自囚禁表现为三种不同的形式:相位与时间呈负相关并随时间单调减小的自囚禁、相位随时间演化有界的自囚禁以及相位与时间呈正相关并随时间单调增大的自囚禁.     

费米超流气体的非线性Landau-Zener 隧穿

在平均场近似下,通过对相平面和不动点的分析, 研究了非线性两能级系统中费米超流气体的Landau-Zener 隧穿现象. 研究发现,费米子间的相互作用能够显著地影响量子隧穿. 当相互作用参数c小于临界值c^*时,在绝热极限下隧穿仍然满足量子绝热定理, 而大于这一临界值时,量子绝热定理不再满足. 最后通过和线性情况比较,得到了c*时隧穿率与扫描速率间满足的指数关系.     

费米-费米散射长度对费米超流气体在幺正极限区域的隧穿现象影响

运用双势阱模型通过调节费米-费米散射长度研究了超流费米气体在幺正极限区域的隧穿现象. 研究发现费米-费米散射长度对量子隧穿效应有显著的影响. 在确定的区域, 可以得到在双势阱中完全的量子隧穿现象, 而在另一些区域, 这种隧穿就完全消失. 由于在实验室中超流费米气体的散射长度是可以调节的, 所以在实验上可以实现通过调节散射长度来控制超流费米气体的宏观隧穿现象.     

拓扑超导Majorana束缚态的探索

Majorana束缚态具有非阿贝尔量子统计特性,是极具潜力的拓扑量子计算方案的核心.近期有多项实验研究提供了Majorana束缚态在某些超导体系中的存在证据,使其成为近期凝聚态物理以及量子计算领域的前沿焦点之一.本文介绍拓扑超导的机理、Majorana束缚态的新奇物理特性、实验观测和操作的方法以及相关量子器件的设计,最后展望该研究方向的发展前景.     

Majorana费米子的研究进展

Majorana费米子因反粒子是其本身且没有电矩和磁矩等性质而广受关注,其具有的可容错性在量子计算方面起着关键作用,能极大地提高计算机的存储能力,因而Majorana费米子成为国内外凝聚态物理界的研究热点。本文着重研究并整理Majorana费米子迄今为止的热点研究方向和相应研究进展,包括对约瑟夫森效应、量子点结构效应、Andreev反射以及Fano效应等理论模型的介绍,并对比多个相关实验的特点进行总结分析。     

手征马约拉纳费米子

手征马约拉纳费米子是具有手性的无质量费米子,是其本身的反粒子,只能存在于1+1维(即1维空间+1维时间)或者9+1维.在凝聚态物理中, 1维手征马约拉纳费米子可看成1/2分数化的狄拉克费米子,并作为二维拓扑态的边缘元激发.奇数个手征马约拉纳费米子边缘态的存在也预示着体系中存在满足非阿贝尔量子统计的伊辛任意子.手征马约拉纳费米子也可进行非阿贝尔编织,理论上可用来实现容错量子计算,因此近年来在凝聚态物理研究中引起了广泛的兴趣.本文从二维拓扑态出发,介绍手征拓扑超导态和量子反常霍尔态之间的深刻联系,并由此得出量子反常霍尔平台转变与超导近邻实现手征马约拉纳费米子的方案,最后以单通道手征马约拉纳费米子为例,探讨其实现电子态的非阿贝尓量子门.     

Vaidya-Bonner黑洞的费米子隧穿

运用费米子隧穿的理论,对Vaidya-Bonner黑洞的费米子Hawking辐射进行研究.使用随动坐标变换,并假设γ^μ矩阵的一个合理形式,从而得到了Vaidya-Bonner黑洞的自旋为1/2的粒子的隧穿辐射行为. 关键词： Vaidya-Bonner黑洞 Dirac方程 Hawking辐射 费米子隧穿     

玻色-费米混合气体的非线性Landau-Zener隧穿

在有相互作用的非线性两模系统中, 通过对相互作用参数的调节, 研究了该系统中玻色-费米混合气体的Landau-Zener隧穿现象. 研究发现, 其中某一组分的自相互作用会影响另一组分粒子的隧穿, 使得隧穿出现临界现象. 关键词： 玻色-费米混合气体 Landau-Zener隧穿 量子绝热隧穿     

AuCu3 型超导体SrPb3 中德哈斯-范阿尔芬振荡及非平庸拓扑能带

AuCu3 型超导体兼具非平庸的拓扑能带, 是近期受到关注的拓扑超导体候选材料之一. 理论预言 SrPb3具有非平庸的拓扑能带, 然而, 实验上尚未得到证实. 本工作观察到德哈斯-范阿尔芬振荡, 验证了 SrPb3 中电子能带的非平庸拓扑性质. 通过分析提取出两个振荡频率Fα =3.54 T 和Fβ =7.43 T. 进一步利用 Lifshitz-Kosevich 公式以及朗道量子化理论, 得到两个对应费米面的载流子有效质量分别为 mα* =0.006m0 和 mβ* =0.008m0 , 同时它们的贝里相位分别为?αB = (1 .32±0.25)π 和?βB = (1 .10±0.25)π. 这些结果表明 SrPb3 中存在有效质量接近于零的相对论费米子和非平庸拓扑能带. SrPb3 中超导电性与非平庸拓扑能带的共存, 为研究超导与拓扑的关联以及探索拓扑超导体提供新的研究体系.     

耦合Majorana束缚态T形双量子点中的Andreev反射

研究了连接在正常金属电极和超导电极之间的耦合Majorana束缚态(MBSs)T形双量子点结构中的Andreev反射.研究发现,对于T形双量子点结构,当入射能量等于边耦合量子点能级时Andreev反射电导出现Fano振荡,连接MBSs之后,零费米能附近出现一对新的Fano型振荡峰.如果忽略两个MBSs之间的相互作用,零费米能点的Andreev反射电导为定值1/2G_0(G_0=2e~2/h),不受量子点能级、双量子点之间耦合强度以及量子点与MBSs之间的耦合强度的影响.此外,在没有耦合MBSs的T形双量子点结构中,调节双量子点间的耦合强度可以使零费米能附近的Andreev反射电导出现由共振带向反共振带的转变,而耦合MBSs之后,又可以使反共振消失转而出现新的共振峰.     

Bi2Te3拓扑绝缘体表面颗粒化铅膜诱导的超导邻近效应

拓扑绝缘体的出现为寻找拓扑超导体和Majorana费米子提供了一种可能的途径. 在拓扑绝缘体Bi₂Te₃表面沉积极薄的不连续铅膜, 试图通过邻近效应感应出大片的超导区, 为下一步研究拓扑超导电性创造条件.借助四引线电输运测量实验, 在0.25 K的低温下看到了超流现象, 表明沉积在Bi₂Te₃表面的厚度小于20 nm的颗粒化铅膜能够诱导邻近效应, 并且使大片Bi₂Te₃超导. 关键词： 超导邻近效应 S-N-S结 拓扑绝缘体     

宏观共振隧穿的新进展及其在量子信息处理中的应用

从量子力学诞生以来,关于宏观物体的运动是否遵循量子力学的辩论就一直没有停止过.上世纪八十年代初期以来,一系列在约瑟夫森结和超导最子干涉器件(SQUID)中观测到的实验结果,包括相位和磁通的宏观量子隧穿,能级量子化,宏观共振隧穿,和在微波驱动下的相干动力学过程对认为宏观物体的运动在满足一定条件下同样遵循量子力学规律的观点提供了强有力的实验证据.在众多已观察到的宏观量子现象中,宏观共振隧穿结合了能级分立和隧穿这两个最具特征的量子现象.由于宏观共振隧穿的观测无需使用高频电磁波激发,这就避免了实验结果也可以用经典物理解释的可能,所以在一个系统中观测到宏观共振隧穿可以说是展示该系统的量子属性的最有力证据.本文讨论近年来从理论和实验两方面理解耗散和磁通噪声对类似SQUID的双势阱系统宏观共振隧穿率和谱线形状的影响.评述宏观共振隧穿谱的测量在探寻、理解、克服超导磁通量子比特中的退相干机制并最终实现规模化量子计算方面的应用.     

宏观共振隧穿的新进展及其在量子信息处理中的应用(英文)

从量子力学诞生以来,关于宏观物体的运动是否遵循量子力学的辩论就一直没有停止过。上世纪八十年代初期以来,一系列在约瑟夫森结和超导量子干涉器件(SQUID)中观测到的实验结果,包括相位和磁通的宏观量子隧穿,能级量子化,宏观共振隧穿,和在微波驱动下的相干动力学过程对认为宏观物体的运动在满足一定条件下同样遵循量子力学规律的观点提供了强有力的实验证据。在众多已观察到的宏观量子现象中,宏观共振隧穿结合了能级分立和隧穿这两个最具特征的量子现象。由于宏观共振隧穿的观测无需使用高频电磁波激发,这就避免了实验结果也可以用经典物理解释的可能,所以在一个系统中观测到宏观共振隧穿可以说是展示该系统的量子属性的最有力证据。本文讨论近年来从理论和实验两方面理解耗散和磁通噪声对类似SQUID的双势阱系统宏观共振隧穿率和谱线形状的影响。评述宏观共振隧穿谱的测量在探寻、理解、克服超导磁通量子比特中的退相干机制并最终实现规模化量子计算方面的应用。     

Kitaev模型与拓扑量子相变

文章通过在一种准一维路径上引入自旋算符的约当-维格纳（Jordan—Wigner）变换，证明了Kitaev自旋模型完全等价于一个不含任何非物理自由度的自由Majorana费米子模型。通过对偶变换，进一步证明了这个系统中存在的量子相变可用非定域的拓扑序参量来描述；并且，这些非定域的拓扑序参量在对偶空间变成为定域的朗道类型的序参量。文章作者的工作揭示了传统的量子相变和拓扑量子相变的内在关系，扩展了朗道二级相变理论的适用范围。