拓扑超导系统的自旋配对态的调控

The realization of quantum entanglement and the detection of Majorana fermions, which are both determined by the spin pairing states, are not only the most fundamental research objects in quantum physics but also the important challenges in the field of spintronics. Because the topological quantized spin-pump can overcome extreme conditions, in this proposal, we will first theoretically explore the realization of the fully spin-polarized entanglement current by virtue of the quantized spin-pump effect in topological systems. The second object in this proposal is to study the manipulation of spin pairing states and to find the spin-frozen composite topological superconducting systems, then to explore fully spin-polarized topological Josephson effect and realize the detection of Majorana fermions. Our proposal shall in principle be helpful for the realization of quantum entanglement and the detection of Majorana fermions.

实现量子态的纠缠和探测Majorana费米子不仅是凝聚态物理的基础研究目标，也是自旋电子学领域的重要挑战，两者都取决于自旋配对态。由于拓扑系统中的拓扑量子化自旋泵浦拥有克服极端条件的特点，因此我们拟在这个项目中，首先从理论上研究借助于拓扑体系的量子化自旋泵浦效应去实现自旋全极化的量子化电子纠缠流。同时, 我们准备进一步研究复合拓扑超导系统的自旋配对态的调控和自旋冻结，探索自旋全极化的拓扑约瑟夫森效应，并实现探测Majorana费米子。本项目的完成，对实现拓扑系统中的量子态的纠缠和对Majorana费米子的探测提供一定的理论帮助作用。

量子态的纠缠和马约拉纳费米子两者都取决于自旋配对态，是当前凝聚态物理的研究热点。我们首先发展了电荷量子化泵浦规约，使得传统的双参数电荷泵实现了拓扑体系的量子化自旋泵浦效应，从而实现了自旋全极化的量子化电子纠缠流。提出了半导体-超导体异质结构中的量子化马约拉纳泵，实现了完美的量子化电子纠缠流，并把双参数绝热电荷泵扩展到双层和三层石墨烯体系以及狄拉克晶格系统中。其次，研究了复合拓扑超导系统的自旋配对态的调控，探索了自旋全极化的拓扑约瑟夫森效应，并实现了探测马约拉纳费米子。提出了基于拓扑绝缘体的非对称超导体约瑟夫森结、具有非共面磁化的铁磁绝缘体三层的约瑟夫森结以及具有非共线的两个铁磁绝缘体的约瑟夫森结，理论上通过非共线磁构型给出了可控手性马约拉纳模，揭示了完全自旋极化自旋三重态和单重态关联的共存以及相互转化，并扩展到热输运的研究中。我们认为该项目的研究成果具有原始创新性，为实现自旋全极化的量子化电子纠缠流、不同的库伯对自旋配对态之间的调制、库伯对自旋全极化拓扑约瑟夫森超电流以及探测马约拉纳费米子，提供了新思路。