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研究院在《物理评论快报》发表一种避免多重子带问题的高稳定手性拓扑超导新方案

1月16日,武汉量子技术研究院徐刚研究员团队、刘鑫研究员团队和华中科技大学合作,在《物理评论快报》(Physical Review Letters)刊发了一种避免多重子带问题的高稳定手性拓扑超导新方案。论文题为“Chiral Topological Superconductivity in Superconductor-Obstructed Atomic Insulator-Ferromagnetic Insulator Heterostructures“。

实现拓扑超导(TSC)和马约拉纳态(MSs)是基础物理和拓扑量子计算中最重要和最具挑战性的任务之一。由于本征的拓扑超导体(p波超导体)十分稀少,过去十几年中,人们提出了许多在拓扑绝缘体、具有Rashba自旋轨道耦合的半导体或磁性原子链的表面或界面利用s波超导体的近邻效应诱导拓扑超导的异质结方案。其中,半导体-s波超导体异质结方案受到了广泛关注并在实验上取得了重要进展。随着研究的深入,该方案也遭遇了两个重大的困难和挑战:一、半导体中普遍存在的多重子带问题。这个问题不仅使得TSC相更难调控实现,也会产生许多平庸的低能态与MS混淆。二、半导体中较小的Rashba自旋轨道耦合会影响超导相在塞曼场中的稳定性,增加了实验难度。 8BF539D7D722CE6CDE7D87E5F7B_3C049821_1D2DA.png

a)利用阻塞原子绝缘体实现手性拓扑超导的示意图。(b)基于第一性原理计算得出的BdG能谱、wilsonloop和拓扑相图。


本工作中,徐刚教授团队提出了一种如图(a)所示的在s波超导体(NbSe2)-阻塞原子绝缘体(Nb3Br8)-铁磁绝缘体(CrI3)异质结中实现二维手性拓扑超导的新方案。阻塞原子绝缘体的表面天然存在与体能带分离良好的阻塞表面态。该阻塞表面态具有巨大的Rashba自旋轨道耦合。因此,该方案可以有效地避免多重子带问题。作者进一步定量分析排除了铁磁绝缘体CrI3带来的轨道效应,计算了超导近邻效应对于塞曼劈裂的稳定性,表明巨大的Rashba自旋轨道耦合更有利于获得稳定的超导电性,论证了该方案的先进性。计算结果证实,拓扑超导可以在较大的化学势和塞曼劈裂参数空间中稳定存在,并可以实现如图(b)所示的四个不同拓扑超导相,对应的超导Chern数分别是N=-1,-2,-3,3。最后,基于Nb3Br8的阻塞瓦尼尔心构成的三角晶格,作者构建了二维BdG哈密顿量,解析得到了整个拓扑相图。该工作扩展了阻塞原子绝缘体的应用,为实现高稳定的拓扑超导和马约拉纳态提供了新路线,将会引起拓扑超导和阻塞原子绝缘体研究领域的广泛关注。

该研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。


论文链接https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.036601