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     

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.     

新型铁基超导体角分辨光电子能谱研究

最近发现的新型122结构的铁基超导体掀起了铁基高温超导研究的又一轮热潮.文章利用角分辨光电子能谱实验手段,研究了这类新型铁基材料的电子结构、费米面拓扑和超导能隙.实验结果表明,其在布里渊区中心的能带结构及费米面与其他铁基超导体存在明显差异,并导致嵌套在粒子-空穴通道的费米面消失.另外,在布里渊区边缘的电子型费米面发现了较强的并且有各向同性的超导能隙.这些结果对可能的超导配对机制提出了严格的限制.     

铁基超导涡旋演生马约拉纳零能模

作为马约拉纳零能模(MZM)的一种全新载体,具有拓扑能带结构的铁基超导块材——拓扑铁基超导体——近年来引起了学术界的广泛关注.由于同时具备单一材料、高温超导、强电子关联、拓扑能带等特质,拓扑铁基超导体成功规避了本征拓扑超导体和近邻异质结体系在实现MZM上的困难,为马约拉纳物理开辟了自赋性拓扑超导的新方向.时至今日,人们已经在多种拓扑铁基超导体的磁通涡旋中测量到了纯净的MZM.实验发现,铁基超导体系中演生的涡旋MZM信号明确、物理清晰,具有很好的应用前景.拓扑铁基超导体有望成长为研究马约拉纳物理和制备拓扑量子比特最重要的材料体系之一.本文以Fe(Te,Se)为主要对象详细介绍了铁基超导马约拉纳载体的思想起源和研究进展.在阐明Fe(Te,Se)拓扑能带结构和零能涡旋束缚态基本实验事实的基础上,本文将逻辑清晰地系统总结铁基超导涡旋演生MZM的主要实验观测和基本物理行为;借助波函数、准粒子中毒等实验,解析Fe(Te,Se)单晶中的涡旋MZM演生机制;结合现有马约拉纳理论,深入探讨铁基超导体中的马约拉纳对称性和准粒子拓扑本质的实验测量.最后,本文采用"从量子物理到量子工程"的视角,综合分析涡旋MZM在真实材料和实际实验中的鲁棒性,为未来潜在的工程应用提供有益指导.本文以物理原理为线,注重理论与实验结合,旨在搭建经典马约拉纳理论与新兴拓扑铁基超导体系之间的桥梁,帮助读者理解铁基超导涡旋中演生的MZM.     

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.     

铁硒基超导材料实用化研究进展

由于铁基超导体含有铁磁性元素以及具有极高的上临界场等特性,引发了科学家对其理论和实用化研究的热潮.铁基超导体主要分为四个体系：“1111”体系、“122”体系、“111”体系和“11”体系.其中,“11”体系中的FeSe基超导材料由于结构简单、单晶制备容易以及不含有毒元素等优势,使其成为了研究铁基超导材料的热门体系,同时也成为了新型实用化超导材料的研究热点.本文在简要介绍铁基超导材料和FeSe基超导材料的基础上,重点介绍了实用化FeSe基超导材料多晶块体、线带材以及薄膜在制备工艺以及性能等方面的研究进展,最后对其相关领域今后的发展做出展望.     

拓扑材料中的超导

近来,人们在凝聚态体系中发现了由拓扑不变量定义的物相,其中最重要的有拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等.这些物相的拓扑性质由非平凡的拓扑数描述,相应的材料被称为拓扑材料,具有诸多新奇的物理特性.其中拓扑超导体由于边界上有满足非阿贝尔统计的Majorana零能模,成为实现拓扑量子计算的主要候选材料.除了探索本征的拓扑超导体外,由于拓扑性质上的相似性,在不超导的拓扑材料中调制出超导自然成为了实现拓扑超导的重要手段.目前,人们发展了栅极调制、掺杂、高压、近邻效应调制和硬针尖点接触等多种技术,已经成功地在许多拓扑绝缘体和半金属中诱导出了超导,并对超导的拓扑性和Majorana零能模进行了研究.本文回顾了本征拓扑超导候选材料,以及拓扑绝缘体和半金属中诱导出超导的代表性工作,评述了不同实验手段的优势和缺陷、分析了其超导拓扑性的证据,并提出展望.     

电子型FeSe基高温超导体的磁通束缚态与Majorana零能模

作为凝聚态物理中一类新奇准粒子态,Majorana零能模(Majorana zero mode)由于可用来实现拓扑量子计算而成为当前的研究热点.理论预言,Majorana零能模可作为特殊的束缚态出现在一些拓扑超导体的磁通涡旋中.但实际超导体磁通中还可能存在其他低能束缚态或杂质态,这给Majorana零能模的辨别和具体应用带来了困难.目前实验上寻找合适的拓扑超导体系、分辨出清晰的Majorana零能模仍然是十分迫切的.本文主要介绍最近利用高能量分辨的扫描隧道显微镜,对电子掺杂铁硒类超导体(Li,Fe)OHFeSe和单层FeSe/SrTiO3磁通态进行的研究.实验上在前者的自由磁通中观测到清晰的零能模,并进一步测量到Majorana零能模的重要特征—量子化电导.而在后者磁通中只发现常规Caroli-de Gennes-Matricon(CdGM)束缚态,反映出s波对称性的特征.这系列实验既为Majorana零能模物性的进一步研究提供了合适平台,也为澄清铁基超导体中拓扑超导电性的来源提供了线索.     

铁基超导体的扫描隧道显微镜研究进展

铁基高温超导体自2008年发现以来,对其超导电性的研究一直是一个热门的课题.扫描隧道显微镜能够在原子尺度进行表面形貌和隧道谱测量,从微观角度研究电子态密度的信息,是研究超导的重要谱学手段.近年来,在铁基超导电性方面,扫描隧道显微镜实验已经积累了一些有价值的结果,本文进行了总结介绍.铁基超导体是多带多超导能隙的超导体,不同材料的费米面结构有很大的变化.扫描隧道显微镜证明,同时有电子和空穴费米面最佳掺杂的铁基样品超导能隙结构是无节点并带有能隙符号变化的s^±波.而进一步的实验发现在没有空穴费米面的FeSe基超导体中也存在能隙符号的相反,对统一铁基超导体的配对对称性提供了重要实验证据.此外,扫描隧道显微镜在研究铁基超导体的电子向列相、浅能带特性、可能的拓扑特性方面,提供了重要的实验数据.本文对上述相关内容进行了总结,并做了相应分析和讨论.     

基于Yu-Shiba-Rusinov态的拓扑超导理论

Yu-Shiba-Rusinov态是由磁性杂质原子在超导体中诱导出的超导能隙内的束缚态.它们可以作为构造拓扑超导态的基本单元.本文阐述了基于Yu-Shiba-Rusinov态的不同维度拓扑超导的统一理论框架,并通过简单的特例加以解释.这里的理论是理解多个相关实验的基础.     

Topological superconductivity in Janus monolayer transition metal dichalcogenides

The Janus monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs) $MXY$ ($M={\rm Mo}$, W, $etc$. and $X, Y={\rm S}$, Se, $etc$.) have been successfully synthesized in recent years. The Rashba spin splitting in these compounds arises due to the breaking of out-of-plane mirror symmetry. Here we study the pairing symmetry of superconducting Janus monolayer TMDs within the weak-coupling framework near critical temperature $T_{\rm c}$, of which the Fermi surface (FS) sheets centered around both $ărGamma$ and $K (K')$ points. We find that the strong Rashba splitting produces two kinds of topological superconducting states which differ from that in its parent compounds. More specifically, at relatively high chemical potentials, we obtain a time-reversal invariant $s + f + p$-wave mixed superconducting state, which is fully gapped and topologically nontrivial, $i.e.$, a $\mathbb{Z}_2$ topological state. On the other hand, a time-reversal symmetry breaking $d + p + f$-wave superconducting state appears at lower chemical potentials. This state possess a large Chern number $|C|=6$ at appropriate pairing strength, demonstrating its nontrivial band topology. Our results suggest the Janus monolayer TMDs to be a promising candidate for the intrinsic helical and chiral topological superconductors.     

Topological insulator: Spintronics and quantum computations

Topological insulators are emergent states of quantum matter that are gapped in the bulk with timereversal symmetry-preserved gapless edge/surface states, adiabatically distinct from conventional materials. By proximity to various magnets and superconductors, topological insulators show novel physics at the interfaces, which give rise to two new areas named topological spintronics and topological quantum computation. Effects in the former such as the spin torques, spin-charge conversion, topological antiferromagnetic spintronics, and skyrmions realized in topological systems will be addressed. In the latter, a superconducting pairing gap leads to a state that supports Majorana fermions states, which may provide a new path for realizing topological quantum computation. Various signatures of Majorana zero modes/edge mode in topological superconductors will be discussed. The review ends by outlooks and potential applications of topological insulators. Topological superconductors that are fabricated using topological insulators with superconductors have a full pairing gap in the bulk and gapless surface states consisting of Majorana fermions. The theory of topological superconductors is reviewed, in close analogy to the theory of topological insulators.     

Topological hierarchy matters — topological matters with superlattices of defects

Topological insulators/superconductors are new states of quantum matter with metallic edge/surface states.In this paper,we review the defects effect in these topological states and study new types of topological matters — topological hierarchy matters.We find that both topological defects(quantized vortices) and non topological defects(vacancies) can induce topological mid-gap states in the topological hierarchy matters after considering the superlattice of defects.These topological mid-gap states have nontrivial topological properties,including the nonzero Chern number and the gapless edge states.Effective tight-binding models are obtained to describe the topological mid-gap states in the topological hierarchy matters.     

拓扑绝缘体/超导体异质结中的近邻效应

拓扑超导体自身具有对量子退相干天然的免疫性以及可编织性,这使得它在现代量子计算领域中受到了越来越多的重视,并且成为了下一代计算技术中最有希望的候选者之一。由于拓扑超导态在固有拓扑超导体中相当罕见,因此,当前大部分实验上的工作主要集中在由 s 波超导体与拓扑绝缘体之间通过近邻效应所诱导的拓扑超导体上。本论文中,我们回顾了基于拓扑绝缘体/超导体异质结的拓扑超导体的研究进展。在理论上,Fu 和 Kane 提出,通过近邻效应将 s 波超导体的能隙引入到拓扑绝缘体,可以诱导出拓扑超导电性。在实验上,我们也回顾了一些不同体系中的拓扑超导近邻效应的研究进展。文章的第一部分,我们介绍了一些异质结,包括：三维拓扑绝缘体 Bi2Se3和 Bi2Se3 与 s 波超导体NbSe2 以及 d 波超导体 Bi2Sr2CaCu2O8+δ 的异质结,拓扑绝缘体 Sn1−xPbxTe 与 Pb 的异质结,二维拓扑绝缘体 WTe2 与NbSe2 的异质结。此外,还介绍了 TiBiSe2 在 Pb 上的拓扑绝缘近邻效应。另一部分中,我们对基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结进行了回顾,包括著名的基于 Fu-Kane 体系的拓扑绝缘体约瑟夫森结,以及基于约瑟夫森结的超导量子干涉器件。     

Rashba自旋轨道耦合下square-octagon晶格的拓扑相变

本文研究了各向同性square-octagon晶格在内禀自旋轨道耦合、Rashba自旋轨道耦合和交换场作用下的拓扑相变,同时引入陈数和自旋陈数对系统进行拓扑分类.系统在自旋轨道耦合和交换场的影响下会出现许多拓扑非平庸态,包括时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态和量子反常霍尔态.特别的是,在时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应中,无能隙螺旋边缘态依然能够完好存在.调节交换场或者填充因子的大小会导致系统发生从时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态到自旋过滤的量子反常霍尔态的拓扑相变.边缘态能谱和自旋谱的性质与陈数和自旋陈数的拓扑刻画完全一致.这些研究成果为自旋量子操控提供了一个有趣的途径.     

Nodal d + id pairing and topological phases on the triangular lattice of Na(x)CoO(2).yH(2)O: evidence for an unconventional superconducting state

We show that finite angular momentum pairing chiral superconductors on the triangular lattice have point zeroes in the complex gap function. A topological quantum phase transition takes place through a nodal superconducting state at a specific carrier density x(c) where the normal state Fermi surface crosses the isolated zeros. For spin-singlet pairing, we show that the second-nearest-neighbor (d+id)-wave pairing can be the dominant pairing channel. The gapless critical state at x (c) approximately 0.25 has six Dirac points and is topologically nontrivial with a T3 spin relaxation rate below T(c). This picture provides a possible explanation for the unconventional superconducting state of Na(x)Co O(2). yH(2)O. Analyzing a pairing model with strong correlation using the Gutzwiller projection and symmetry arguments, we study these topological phases and phase transitions as a function of Na doping.     

利用超导量子电路模拟拓扑量子材料

近年来,探索新的拓扑量子材料、研究拓扑材料的新奇物理性质成为凝聚态物理领域的一个热点.但是,由于合成、测量等手段的限制,人们难以在真实材料中实现和观测很多理论预言的材料及其物理性质,促使量子模拟日益成为研究量子多体系统的一个重要手段.作为全固态器件,超导量子电路是一个在扩展性、集成性、调控性上都具有巨大优势的人工量子系统,是实现量子模拟的重要方案.本文总结了利用超导量子电路对时间-空间反演对称性保护的拓扑半金属、Hopf-link半金属和Maxwell半金属等拓扑材料的量子模拟,显示出超导量子电路在模拟凝聚态物理系统方面具有广阔前景.     

磁场中的拓扑绝缘体边缘态性质

用数值方法研究了拓扑绝缘体薄膜体系在外加垂直磁场 作用下其边缘态的性质. 磁场的加入通过耦合k+eA, 即Peierls势替换关系和 该作用导致的Zeeman交换场体现在哈密顿量中. 考虑窄条圆环状结构的二维InAs/GaSb/AlSb薄膜量子阱材料, 当其处于拓扑非平庸状态, 即量子自旋霍尔态时, 会出现受时间反演对称性保护的两支简并边缘态, 而在垂直磁场的作用下, 时间反演对称性被破坏, 这时能带将形成一条条的朗道能级, 原来简并的两支边缘态也会分开到朗道能级谱线的两侧, 从电子态密度的空间分布情况则可以看到边缘态分别局域在材料的两个边界. 随着磁场的增大, 位于同一边界上的不同 自旋极化的边缘态将出现分离: 一支仍然局域在边缘, 另一支则随外加磁场的增加而有逐渐演化到材料内部的趋势. 文中还计算了同一边界上的两支边缘态之间的散射, 结果表明由于两个边缘态在空间发生分离, 相互之间的散射被很大的压制, 得到了其散射随磁场增加没有明显变化的结论, 所以磁场并不会增强散射过程, 也没有破坏体拓扑材料的性质, 说明了量子自旋霍尔态在没有时间反演对称的情况下也可以有较强的稳定性.     

铁基高温超导体电子结构的角分辨光电子能谱研究

铜氧化物超导体和铁基超导体是人类相继发现的两类高温超导家族,它们的高温超导机理是凝聚态物理领域中长期争论但悬而未决的重大问题.对铁基超导体广泛而深入的研究,以及与铜氧化物高温超导体的对比,对于发展新的量子固体理论、解决高温超导机理、探索新的超导体以及超导实际应用都具有重要意义.固体材料的宏观物性由其微观电子结构所决定,揭示高温超导材料的微观电子结构是理解高温超导电性的前提和基础.由于角分辨光电子能谱技术具有独特的同时对能量、动量甚至自旋的分辨能力,已成为探测材料微观电子结构的最直接、最有力的实验手段,在高温超导体的研究中发挥了重要作用.本文综述了在不同体系铁基超导体中费米面拓扑结构、超导能隙大小和对称性、轨道三维性和选择性、电子耦合模式等的揭示和发现,为甄别和提出铁基超导新理论、解决高温超导机理问题提供重要依据.