拓扑超导体约瑟夫森结马约拉纳费米子的研究

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1、隶。轫大·譬博士学位论文万方数据拓扑超导体约瑟夫森结马约拉纳费米子的研究专业名称：物理学研究生姓名：任重丹导师姓名：汪军教授本论文获国家自然科学基金面上项口(11074032、11074033)，江苏省向然科学基金荷上项目(BI(20131284)，江苏省普通高校研究生科研创新计划项J=_l(CXZZl30080)和中央高校基本科研、Ik务费专项资金资助。万方数据IlIIIIIlUlIIIIIIIIIIY2758567INVESTIGATIONONPROPERTIESOFMAJORANAFERMIONBYTOPOLOGICAL

2、SUPERCONDUCTORJOSEPHSONJUNCTIONADissertationsubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofScienceBYRenChongdanSupervisedby：ProfessorWangJunDepartmentofPhysicsSoutheastUniversityJune18，2014万方数据东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中

3、特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名肛；毒8隅硷晦k圈多b东南大学学位论文使用授权声明东南大学、rrI国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全

4、部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：万方数据摘要A从Fu和Kane从理论上提出马约拉纳费米子可出现在复合拓扑超导体rfl后，拓扑超导屯性弓

5、起了人们的广泛关注。马约拉纳费米子是一种十分奇特的粒子，它的反粒子是它本身，满足非阿贝尔统计，可用来实现容错的拓扑量子计算，因而寻找和验证它的存在具有十分重要意义。本论文主要从理论上研究拓扑超导体的自旋相关输运性质，包括拓扑超导体的约瑟夫森效应、自旋约瑟夫森效应、白旋相关微分电导。同时由于非中心对称超导体也属于拓扑超导体，我们研究了它的白旋约瑟夫森效应

6、。首先，我们研究了复合拓扑超导体／磁量子点／复合拓扑超导体的约瑟夫森效应。我们发现量子点的磁矩可以改变约瑟夫森结的超流一相位关系。当量子点磁矩1111和外磁场h或自旋轨道赝磁场Bs。不共线时，即使约瑟夫森结两端没有相位差仍然存在超流。其物理原渊是111于A旋反转导致的相位移动。我们还发现通过调节磁性量子点的磁矩可以改变An&eev束缚态节点的位置但不会改变节点的零能性，因而磁性量子点不会改变拓扑超导体约瑟夫森结的拓扑性。不同于复合拓扑超导体约瑟夫森结的47『周期性，零相差超流和磁量子点方向的周期是2re，其大小可以通过量子点磁

7、矩1111l狗大小和方向来调节，并且在拓扑超导体的临界磁场h。处达到最大值。接下来我们通过复合拓扑超导体／铁磁结的A旋约瑟夫森效应来研究复合拓扑超导体的A旋结构。通过调节施加在复合拓扑超导体上的磁场方向，我们发现当纳米线进入拓扑态后白旋反转导致的白旋超流并没有消失。这说明除了与马约拉纳费米子相关的P波配对态外，复合拓扑超导中必然存在平凡的P波配对态。我们认为此平凡的P配对态来源丁拓扑非平凡的P波配对态和s波配对态的混合效果，而不是强配对态。此外我们还发现d矢量与p波再己对态的自旋方向并不相互垂A，这说明拓扑超导体中的三重态是非

8、幺『F的。最后我们利用包含s波配对的Kitave模型来证实s波配对态对复合拓扑超导体的白旋结构的影响。为了进一步证实s波配对态对复合拓扑超导体性质的影响，我们研究了半金属／复合拓扑超导体／半金属结中的A旋微分电导。通过旋转半金属和复合拓扑超导的相对磁矩方向，我们发现马约拉纳费米子的自旋方向不是严格平行于z轴，而是有较小的偏离。除了来源于马约拉纳费米子的电导峰外，当半金属磁矩方向近似反平行于施加在复合拓扑超导体上的磁矩方向时还存在“反常”的电导峰。反常屯导峰出现的其物理原凶是在马约拉纳费米子的协助下，入射电子和复合拓扑超导体中的

9、s波发生的局域Andreev反射，这与fano因子的计算结果是一致的。同样的，这些结果可以用s波配对的Kitave模型来证实。最后我们研究了时问反演对称的非巾心对称超导体的A旋约瑟夫森效果。基于Furusaki．Tsukada格林函数方法我们首先推导出白旋超流的表达式。我们发