拓扑d-波超导约瑟夫森结

发布时间：2020-08-13 12:26

【摘要】：近年来,拓扑绝缘体材料引起了人们的广泛关注,成为凝聚态物理研究的重要热点和前沿之一。它是一种有别于传统金属和绝缘体的物质,其表面没有能隙,是能够导电的金属态体系,然而内部表现为绝缘,具有奇异的量子特性。此外,当拓扑绝缘体与超导体或铁磁绝缘体接触时,时间反演对称性被破坏,由于邻近效应,边界或表面态呈现奇特的量子输运特性,对自旋电子学和量子信息等领域有着巨大的潜在应用价值。本文利用基于Bogoliubov-deGennes(BdG)方程的Blonder-Tinkham-Klapwijk(BTK)理论方法,通过理论解析推导和数值计算,研究了基于拓扑绝缘体的由铁磁绝缘体和非传统的超导体所构成的拓扑约瑟夫森(Josephson)结的超流性质。第一,在不考虑拓扑绝缘体两表面耦合的情形下,我们研究了基于三维拓扑绝缘体(TI)的s-波超导体/铁磁绝缘体/正常TI/铁磁绝缘体/dd-波超导体(s-SC/FI1N/FI2/d-SC)约瑟夫森结超导电流特点,其中d-波超导体具体为dxy-波或dx2-y2-波超导体。固定铁磁区域F1的方向沿x轴、F2的磁交换场方向在x-z平面或x-y平面内以及两者大小相等,结果发现,能够发生奇异的约瑟夫森效应,并且奇异的约瑟夫森超流随磁交换场方向间的夹角发生大小和方向的变化,从而实现“相位蓄电池”等功能。特别地,在s-SC/FI1/N/FI2/dx2-y2-SC结构中,还能够发生“超流整流效应”和超流-相位关系的“两量子化平台”现象。不仅如此,在两铁磁区域的磁交换场方向均固定于x轴方向时,相位蓄电池在一定的磁交换场大小的范围内所储存的相位几乎不变,实现磁控制超流两量子化平台现象。除此之外,改变铁磁区域的长度不仅对奇异的约瑟夫森效应大小有着重要的影响,还能实现0-π结转变。第二,同样,在不考虑拓扑绝缘体两表面耦合的情形下,我们探讨了不同磁构型下三种基于三维拓扑绝缘体的d-波超导体/铁磁绝缘体/正常TI/铁磁绝缘体/d-波超导体(d-SC/FI1/N/FI2/d-SC)约瑟夫森结的超流特点,其中d-波超导体具体为dxy-波或dx2-y2-波超导体。固定铁磁区域F1的方向沿x轴或y轴、F2的方向分别在x-y等三个平面内以及两者大小相等。结果发现,除了dx-波对称超导结在磁交换方向夹角在y-z平面内变化时,还是遵循常规的约瑟夫森效应外,三种结构中也都会发生奇异的约瑟夫森效应,并且随着两磁交换场方向在x-y等平面的夹角都发生了变化,从而实现对奇异的约瑟夫森电流的调控。此外,在F2沿x轴或y轴的分量与F1大小相等且固定不变的情形下,改变F2沿另一根轴分量的大小,同样会发生奇异的约瑟夫森效应。
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O469
【图文】：

）表示三维拓扑绝缘体的狄拉克表面态的示意图，图中箭维拓扑绝缘体与二维拓扑绝缘子体在本质上没有度控制在几纳米的极限时，这种量子薄膜可能是二维拓扑绝缘体的厚度叠加成三维系统时，这样的

Ｋｌａｕｓ邋ｖｏｎ邋Ｋｌｉｔｚｉｎｇ研究结果中发现，在低温、强磁场环境下半导体逡逑与异质交界面处的二维导电层，又称二维电子气（Ｔｗｏ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｇａｓ）逡逑具有特殊的电子输运特性，其在强磁场中的霍尔电阻与磁场的线性关系将引起偏逡逑差，不再是线性的，而是呈现出一种阶梯状，即“量子化”，并且每个阶梯平台逡逑所对应的电阻值准确满足ｈ／ｗ２，纵向电阻降到零，其中Ａ为普朗克常数，ｅ为逡逑电子电量，ｖ为一个整数。这些现象很清楚地表明这是一种量子效应，后来就被逡逑称为量子霍尔效应。逡逑物理学家发现量子霍尔系统样品边缘的ｖ个导电通道对量子霍尔系统有贡逡逑献，被称为边缘态。图（２．３ａ）展示了量子霍尔效应的边缘态，其特点是手性的逡逑

尔（Ｅｄｗｉｎ邋Ｈａｌｌ）于１８７９年发现的，是自然界中最基本的电磁现象之一。将一个通逡逑电的导体放置在磁场中，电荷沿磁场的垂直方向运动产生电流。在外部磁场中，逡逑当电荷移动时，它受磁场的洛伦兹力的影响，这是载流子运动的偏移，如图２．２逡逑所示。实验结果产生了一个垂直于电流和磁场方向的横向电位差。在这种现象中逡逑定义了霍尔电阻，其值与磁场呈线性关系。逡逑图２．２霍尔效应现象逡逑１９８０年，Ｋｌａｕｓ邋ｖｏｎ邋Ｋｌｉｔｚｉｎｇ研究结果中发现，在低温、强磁场环境下半导体逡逑与异质交界面处的二维导电层，又称二维电子气（Ｔｗｏ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｇａｓ）逡逑具有特殊的电子输运特性，其在强磁场中的霍尔电阻与磁场的线性关系将引起偏逡逑差，不再是线性的，而是呈现出一种阶梯状，即“量子化”，并且每个阶梯平台逡逑所对应的电阻值准确满足ｈ／ｗ２，纵向电阻降到零，其中Ａ为普朗克常数，ｅ为逡逑电子电量，ｖ为一个整数。这些现象很清楚地表明这是一种量子效应，后来就被逡逑称为量子霍尔效应。逡逑物理学家发现量子霍尔系统样品边缘的ｖ个导电通道对量子霍尔系统有贡逡逑献

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本文编号：2791996