拓?fù)涑瑢?dǎo)體的理論研究與可能的材料實(shí)現(xiàn).pdf

1、拓?fù)涓拍钤谀蹜B(tài)物理中的引入取得了巨大的成功，它豐富了我們對各種量子相的理解，超越了朗道自發(fā)對稱破缺的范疇。在這條通往豐富多彩拓?fù)涫澜绲牡缆飞希負(fù)涓拍畋挥糜诟鞣N量子材料的拓?fù)浞诸?，包括絕緣體、金屬、超導(dǎo)體、以及玻色體系等等。例如，拓?fù)浞瞧接沟慕^緣體是一類體態(tài)絕緣而表面或邊緣具有受到拓?fù)浔Ｗo(hù)的金屬態(tài)的電子材料。與拓?fù)浣^緣體類似，拓?fù)涑瑢?dǎo)體是一類體態(tài)擁有全能隙而表面態(tài)是受粒子-空穴對稱性保護(hù)的馬約納拉費(fèi)米模的超導(dǎo)材料。在此基礎(chǔ)上，拓?fù)涑瑢?dǎo)

2、體被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)并操控馬約納拉費(fèi)米子的理想平臺。馬約納拉費(fèi)米子是它自身的反粒子，服從非阿貝爾量子統(tǒng)計(jì)規(guī)律，并且被提議用來實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)拓?fù)淞孔佑?jì)算。近年來，大量的理論和實(shí)驗(yàn)工作致力于在實(shí)際材料中找到馬約納拉費(fèi)米子存在的充分證據(jù)。盡管該領(lǐng)域的研究不斷取得進(jìn)展，但離最終實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算依舊有漫長的道路要走。在本論文中，我們圍繞拓?fù)涑瑢?dǎo)的微觀模型及其在具體材料體系中的實(shí)現(xiàn)展開一系列的理論與計(jì)算研究。本文的結(jié)構(gòu)如下:
　　第一章，我們簡要介紹拓?fù)?/p>

3、概念在凝聚態(tài)物理中的發(fā)展，主要集中在拓?fù)浣^緣體和拓?fù)涑瑢?dǎo)體。另外，在這一章的結(jié)尾，我們提供了絕緣體和超導(dǎo)體按照對稱性進(jìn)行拓?fù)浞诸惖谋怼?br>　　第二章介紹我們在拓?fù)浣^緣體和超導(dǎo)體界面中引入磁性雜質(zhì)的相關(guān)研究工作。之前的一系列研究表明拓?fù)浣^緣體和s-波超導(dǎo)體的界面具有類似于無自旋的p-波超導(dǎo)體的特性。具體表現(xiàn)為在該界面中的一個(gè)量子磁通渦旋可以束縛一個(gè)馬約納拉費(fèi)米子，以及界面的邊緣存在馬約納拉邊緣態(tài)。在本章工作中，我們發(fā)現(xiàn)在拓?fù)浣^緣體和超

4、導(dǎo)體的界面中引入單個(gè)的磁性雜質(zhì)會在超導(dǎo)能隙中引導(dǎo)出Yu-Shiba態(tài)。當(dāng)引入大量磁性雜質(zhì)時(shí)，Yu-Shiba態(tài)會展寬成雜質(zhì)能帶。但是，當(dāng)磁性雜質(zhì)的濃度低于10％的時(shí)候，超導(dǎo)能隙不會被雜質(zhì)能帶關(guān)閉。接下來，我們研究兩個(gè)磁性雜質(zhì)在該界面中的RKKY相互作用，理論計(jì)算表明隨著超導(dǎo)能隙的增加RKKY相互作用的振蕩幅值和周期將會逐漸受到壓制。由于短程鐵磁和長程反鐵磁相互補(bǔ)償，在平均場理論近似下的鐵磁居里溫度并不會隨著超導(dǎo)能隙的改變而發(fā)生顯著變化。

5、由于低溫下超導(dǎo)性和鐵磁性同時(shí)存在，因此可以在該界面中實(shí)現(xiàn)手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體。
　　考慮到界面體系不方便直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探測，第三章，我們研究二維Rashba自旋軌道耦合的超導(dǎo)體中無序誘導(dǎo)的拓?fù)湎嘧儭Ｎ覀儼l(fā)現(xiàn)磁性無序可以將一個(gè)拓?fù)淦接沟某瑢?dǎo)體轉(zhuǎn)變成拓?fù)浞瞧接沟某瑢?dǎo)體，這種轉(zhuǎn)變伴隨著超導(dǎo)能隙的關(guān)閉和重開。在拓?fù)浞瞧接钩瑢?dǎo)體中引入安德森無序時(shí)，盡管其超導(dǎo)性不會受到影響，但其拓?fù)湫詫黄茐?。我們?jì)算了不同類型以及不同程度摻雜情況下該體系的拓?fù)洳?/p>

6、變量，進(jìn)一步證實(shí)了無序誘導(dǎo)的拓?fù)湎嘧儭Ａ硗?，我們討論了本章的研究結(jié)果和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的聯(lián)系
　　目前，絕大部分實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體的方案都是基于近鄰效應(yīng)，因此將超導(dǎo)性和拓?fù)湫越Y(jié)合在簡單的單一材料中具有很重要的研究意義。第四章，我們研究了拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)在單層合金材料Pb3Bi中實(shí)現(xiàn)的可能。首先，我們計(jì)算了Pb3Bi生長在Ge(111)襯底上的能帶結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了巨大的Rashba劈裂。更重要的是，我們的計(jì)算表明在第一布里淵區(qū)中費(fèi)米面以下100毫電子伏特