作者:刘灿华 贾金锋 来源:《国家科学评论》 发布时间:2014-6-4 14:52:57
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在拓扑绝缘体中创建Majorana费米子

拓扑表面态与超导的共存,以及拓扑绝缘体薄膜表面的vortex和零偏压峰

Majorana费米子这一概念最初是于1937年,在粒子物理学领域为了描述与自身的反粒子同体的一类费米子而提出来的。但至今,尚未有严格的实验证据表明某个实体粒子是Majorana费米子。在凝聚态物理学领域当中,存在着许多准粒子,当中的某些可视为粒子与反粒子。在特定的条件下,这些互为正反的准粒子由于具有完全一样的自旋以及零电荷和零能量,从而符合描述Majorana费米子的方程。而且,成为Majorana费米子的准粒子由于具有非阿贝尔的统计特性,而且对去相干具有极强的抵抗性,所以很适合用于量子计算,从而在近年引起了广泛的研究热潮。

比如,超导体的超导能隙当中的对称能级处的电子激发态与空穴激发态,就可视为一对正反准粒子,它们在费米面处的同权叠加态,就可构建出Majorana费米子。不过,一般的超导体由于其库珀对的轨道角动量多为零(s波超导体),所以是无法在费米能级处形成零能量的电子与空穴的同权叠加态。只有在一些特殊的超导体当中,库珀对的轨道角动量为1的时候(p波超导体),才能构建出符合Majorana费米子特性的准粒子。但p波超导体材料并不多见。有理论科学家发现,将s波超导体放到拓扑绝缘体表面,由于该表面态电子的自旋与角动量是藕合在一起的,所以通过近邻效应引入到该表面的库珀对就可形成类似于p波的配对形态,从而在特定条件下(比如外加磁场下的vortex中心部),构建出Majorana费米子。

近年来这方面的实验进展非常迅速。比如中科院物理所吕力研究员团队,就率先在拓扑绝缘体的表面探测到了因近邻效应而引入的超导特性。上海交大贾金锋教授的团队与合作者一起,则率先在s波超导体的表面生长出了高质量的拓扑绝缘体(TI/sSC异质结),并且从实验上证实了拓扑表面态与超导态的共存,最近,该研究团队还成功的在该TI/sSC异质结表面观测到了磁场下的vortex,并在vortex中心部检测到了包括Majorana费米子在内的bound states和Majorana费米子存在的迹象。而清华大学薛其坤教授的研究团队与周树云教授合作,将高质量的拓扑绝缘体薄膜生长到了高温超导体的表面,并观测到了拓扑表面态的超导能隙,从而为探测Majorana费米子创造了更为有利的实验平台。Majorana费米子探测到工作方兴未艾,相信在不远的将来人们能够捕捉到这种神秘的粒子。

由上海交通大学刘灿华、贾金锋教授共同撰写的观点文章“在拓扑绝缘体中创建Majorana费米子”已在《国家科学评论》创刊号发表。这篇简要介绍了Majorana费米子在凝聚态物理学领域当中的概念、特性和存在形式,并展望了如何在拓扑绝缘体的表面创建Majorana费米子及通过实验加以探测的研究现状及科研前景。(来源:科学网)

 
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