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。     

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.     

纳米尺度下超导体和拓扑绝缘体的电输运特性

超导体和拓扑绝缘体研究是当前凝聚态物理领域中的重大课题.文章重点介绍了作者所在实验室在纳米超导和拓扑绝缘体电输运领域的实验进展,其中包括金属和铁磁纳米线中的超导近邻效应、半金属纳米线中的新奇超导特性、拓扑绝缘体薄膜中的量子输运以及超导态-拓扑量子态的相互作用等,并对该领域的进一步发展进行了展望.     

Pt/La0.67Sr0.33MnO3异质结中的反常霍尔效应

非磁/铁磁异质结构中存在很多有趣的演生现象,特别是,铂/铁磁异质结构中的反常霍尔效应是一个研究热点.采用脉冲激光沉积技术和射频磁控溅射技术制备出具有原子级接触界面的铂/锰酸锶镧异质结,并对异质结的电输运性能进行了系统的研究.实验发现,铂/锰酸锶镧异质结中存在由铂贡献的反常霍尔效应,这是由磁近邻效应诱导铂表现出铁磁性造成的.反常霍尔电阻随着温度的降低而急剧增加,并且在低于40 K时改变符号.反常霍尔电阻随铂厚度的增加而急剧降低,证实了铂的铁磁性起源于异质结界面.此外,异质结在低外加磁场下可能产生了拓扑霍尔效应,这是由异质结界面处的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用诱导产生手性磁畴壁结构引起的.上述研究结果为进一步理解非磁/铁磁异质结构中的电子自旋和电荷输运之间的相互作用提供了实验基础.     

EuS/Ta异质结的极大磁电阻效应

在铁磁/超导异质结中,铁磁体的交换场通过近邻效应将导致超导体准粒子态密度的塞曼劈裂.基于该效应,在外磁场不强的情况下,通过外加磁场可以有效地调节铁磁/超导界面处的交换作用,从而实现超导体在正常态和超导态之间转换,产生极大磁电阻.本文利用脉冲激光沉积方法制备了EuS/Ta异质结并研究了其电磁特性.Ta在3.6 K以下为超...     

a-C: Fe/AlOx/Si基异质结的光伏效应

使用脉冲激光沉积(PLD)依次沉积氧化铝和碳膜制备了a-C: Fe/AlO_x/Si基异质结,研究了其光伏效应及其在太阳能电池上的应用.该太阳能电池在标准日光照射(AM1.5,100 mW/cm²)下,可获得0.33 V的开路电压和4.5 mA/cm²的电流密度,太阳能电池的转换效率为0.35%.通过C-V测量,证明了氧化铝层的引入降低了界面能级数目,增加了界面势垒高度.界面能级数目降低减少了光生载流子在界面复合的 关键词： 光伏效应 非晶碳膜 异质结 氧化铝     

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     

基于自准直效应的光子晶体异质结偏振分束器

基于光子晶体的自准直效应和禁带特性,提出了一种具有非正交异质结结构的光子晶体偏振分束器.无需引入缺陷或波导,可使光波在该结构中准直无发散地传输并实现分束功能,对制造工艺的要求大大降低.利用Rsoft软件,结合平面波展开法和二维时域有限差分法,对提出的偏振分束器进行了仿真研究.结果表明,该偏振分束器在一个较大的频率范围f=0.275—0.285(a/λ)内可实现横电(TE)和横磁(TM)模的大角度偏振分离,TE和TM模的透过率均在88%以上,偏振消光比分别大于26.57 dB和17.50 dB.该结构可应用到太赫兹波段的传输系统中,a=26μm,尺寸大小为572μm×546μm,在91—95μm波长范围内可实现TE和TM模的分离.利用该结构可设计用于光通信系统(n=3.48)的偏振分束器,a=426.25 nm,结构仅为9.38μm×8.95μm.本方案结构简单,易于集成,有望在集成光路的发展中发挥重要作用.     

磁性拓扑绝缘体中的量子化反常霍尔效应

文章从平常霍尔效应出发,介绍了反常霍尔效应及其内秉物理机制,并在此基础上介绍了其量子化版本——量子化反常霍尔效应.然后从拓扑有序态的角度,重点讨论了量子化反常霍尔效应与量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体等之间的区别与内在联系.最后介绍了通过在拓扑绝缘体（Bi2Se3, Bi2Te3 和 Sb2Te3）薄膜中掺杂过渡金属元素（Cr 或 Fe）实现量子化反常霍尔效应的方法.     

磁性d波超导/铁磁/磁性d波超导结中的约瑟夫森效应

通过求解磁性d波超导中的能隙和磁交换能的自洽方程, 研究磁性d波超导/铁磁/磁性d波超导结中的约瑟夫森电流. 计算结果表明: 1)临界电流随中间的铁磁层厚度呈现出两种不同周期的振荡混合, 通过增强铁磁层中的磁交换能q₀和铁磁/磁性d波超导界面处的势垒强度z₀, 短周期分量可从长周期中分离出来, 反之, 通过降低q₀和z₀, 长周期分量可从短周期中分离出来; 2)在两边磁性d波超导的磁化方向取平行时, 在取一些特定的铁磁层厚度下, 磁性d波超导中的磁交换能可增强系统的临界电流. 关键词： 磁性d波超导体 铁磁体 约瑟夫森电流     

InGaAs/GaAs应变异质结中的反常离子沟道效应

用5.8,3.0和1.2MeV的Li离子对用MBE制备的In_0.25Ga_0.75As/GaAs(100)异质结在(100)面中沿[100]及[110]轴进行角扫描。5.8MeV时,[110]轴外延层与衬底沟道对准角的差值为0.90°,从而计算出其晶格失配度为1.62％。3.0MeV时,背散射角扫描谱出现了严重的不对称现象。若离子以1.2MeV入射,沟道对准角的差值及衬底沟道的半角宽大大地偏离实际值。本文对以上反常现象从物理机理上进行了分析,给出了这些反常离子沟道 关键词：     

GaAs/AlGaAs异质结的界面束缚二维激子效应

本文讨论了GaAs/AlGaAs异质结界面的H线发光及其性能。用双晶X射线衍射及皮秒光致发光证明了H线与界面质量密切相关,并且有相似于激子跃迁的寿命行为。用限制于异质结界面势阱的二维电子(或空穴)与分布于GaAs边的三维空穴(或电子)组成的二维激子效应,解释了H线的实验结果。并讨论了不同外延生长的异质结与界面有关的发光行为。     

从磁性掺杂拓扑绝缘体到内禀磁性拓扑绝缘体——通往高温量子反常霍尔效应之路

量子反常霍尔效应被认为是已知的拓扑量子效应中最有希望获得广泛实际应用的一个。阻碍其应用的主要障碍是其很低的实现温度。文章介绍了在磁性拓扑绝缘体中量子反常霍尔效应的机理和决定其实现温度的因素,回顾了过去几年在提高量子反常霍尔效应实现温度方面的研究进展,尤其是最近内禀磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄的相关工作。在此基础上提出在磁性拓扑绝缘体系统中进一步提高量子反常霍尔效应温度的路线图。

     

N/I/d波超导体结中的准粒子非弹性散射效应

考虑准粒子的非弹性散射和正常金属区域的杂质散射,以方势垒描述N/I/d波超导体结中绝缘层对准粒子输运的影响,运用Bogoliubov-de Gennes(Bde)方程和Blonder-Tinkham-Klapwijk(BTK)理论,计算了N/I/d波超导体结的隧道谱.研究表明;(1)伴随着准粒子的非弹性散射效应,绝缘层的势垒值及绝缘层厚度对零偏压电导峰值有显著影响;(2)准粒子有限寿命的缩短,可压低零偏压电导峰,并抹平能隙处的小峰或凹陷;(3)较大的杂质散射会导致零偏压电导峰的劈裂,而准粒子的非弹性散射则可有效地阻止其劈裂.     

Cu2O-ZnO异质结太阳能电池的制备及光电性能研究（英文）

电化学沉积是一种绿色高效的材料制备方法。本实验使用电化学沉积法分别制备了单晶的氧化锌(ZnO)纳米棒阵列和p型的氧化亚铜(Cu2O)薄膜,并对样品进行了扫描电镜、X光衍射、外量子效率和光电性能测试等一系列的表征和测试。试验结果表明,通过改变反应溶液中的ZnCl2浓度可以来调控ZnO纳米棒的直径。光电性能测量显示在Cu2O/ZnO间形成了p-n异质结。量子效率的测试证明该异质结可有效地促进载流子的分离和传送,从而提高太阳能电池的转化效率。     

拓扑绝缘体基铁磁/f-波超导隧道结Andreev反射研究

基于Bogoliubov-de Gennes方程和Blonder-Tinkham-Klapwijk理论研究了三维拓扑绝缘体基铁磁/各向异性f-波超导隧道结的Andreev反射,其中f-波超导体选取f₁和f₂-波两种配对势.研究发现,对于f₁和f₂波,铁磁体中的磁能隙可以增强传统的Andreev逆向反射,但对Andreev镜面反射有抑制作用;但随着施加在超导体顶部电极上的栅极电位的增加,两种类型的反射都会增强.通过改变磁能隙,可以调节两种反射在准粒子输运过程中占有优势的程度.这些结果提供了一种实验检测拓扑绝缘体薄膜中镜面Andreev反射的方法.此外,隧穿电导和散粒噪声谱的差异可用于区分f₁和f₂波配对势.     

基于并五苯/酞菁铅异质结的近红外光敏有机场效应管(英文)

采用并五苯(Pentacene)和酞菁铅(PbPc)两种有机材料作为有源层,制备了异质结有机光敏场效应管。在波长为808 nm、强度为124 mW/cm2的近红外光照条件下,异质结phOFET获得最大的光暗电流比达4.4×104,栅压为-50 V时的最大光响应度为118 mA/W,比单层酞菁铅phOFET分别高出766倍和785倍。在经过120 h后,器件的最大光暗电流比和最大光响应度分别稳定于5.4×104和326 mA/W附近。由于在异质结phOFET中采用了对近红外光具有高吸收效率的酞菁铅作为光敏层,而高空穴迁移率的并五苯材料作为靠近栅介质的沟道层,光生载流子的产生与传输能力得到了有效的提高。实验结果表明,基于并五苯/酞菁铅的有机异质结应用于光敏有机场效应管的结构设计中,可以使phOFET成为一种同时具有良好光敏性及稳定性的近红外光探测器件。     

二维拓扑绝缘体退相干效应研究

拓扑绝缘体是当前凝聚态物理研究的热点.退相干效应对该体系的影响的研究不仅有重要的理论意义,而且也是实现未来量子器件的不可或缺的前期工作.文章作者从理论上研究了退相干对二维拓扑绝缘体特别是量子自旋霍尔效应的影响.研究结果表明,作为量子自旋霍尔效应的标志的量子化纵向电阻平台对不破坏自旋记忆的退相干效应(普通退相干)不敏感,但却对破坏自旋记忆的退相干效应(自旋退相干)非常敏感.因此,该量子化平台只能在尺寸小于自旋退相干长度的介观样品中存在,从而解释了量子自旋霍尔效应实验中所观测到的结果(见Science,2007,318:766).同时,文章作者还定义了一个新的物理量,即自旋霍尔电阻,并发现该自旋霍尔电阻也有量子化平台.特别是该量子化平台对两种类型的退相干都不敏感.这说明在宏观样品中也能观测到自旋霍尔电阻的量子化平台,因此更能全面地反映量子自旋霍尔效应的拓扑特性.     

BaTiO3/p-Si异质结的整流特性和光诱导特性的研究

利用脉冲激光沉积法成功制备了BaTiO₃/p-Si异质结, 该异质结在80–300 K 显示出了良好的整流特性和光诱导特性. 开启电压随着温度的升高而逐渐降低. 利用不同频率的光子辐照样品, 观察到明显的光电导效应. 且随着照射光子能量的增大, 结电流也相应变大, 光诱导效应越明显. BaTiO₃薄膜电阻-温度(R-T) 曲线显示氧缺陷条件下BaTiO₃薄膜具有良好的半导体特性. 关键词： 异质结 光诱导效应 3薄膜')" href="#">BaTiO₃薄膜     

磁电异质结及器件应用

磁电异质结是由铁磁和铁电材料通过连接层耦合而成,其磁电效应来源于铁电相的压电效应和铁磁相的磁致伸缩效应.相对于颗粒混相磁电复合材料,层状磁电异质结材料具有更高的磁电耦合系数和更低的介电损耗,使得其在磁场传感器、能量收集器、天线以及存储器等领域都有着巨大的应用前景.本综述重点总结了磁电异质结材料的发展历程以及相关应用领域的最新进展,最后评述了磁电异质结材料发展的挑战和前景展望.