拓扑超导体新奇输运特性研究

Topological Superconductor has drawn wide attention due to the existing of Majorana fermion. Recently, a series of experiments have demonstrated the possible signal of Majorana fermion. However, how to identify the Majorana fermion is still an open question. In this proposal we will study the novel transport properties of topological superconductor and try to find a way to distinguish Majorana fermion. The main research contents are listed as follows: (1) we will exhaust the Josephson effect in two kinds of topological superconducting system: Semiconductor superconducting wire and Topological insulate superconductor. (2) we will investigate the scattering properties of topological superconductor and find a feasible way to demonstrate the existing of Majorana fermion. (3) we will further study the dynamical transport properties of Majorana fermion and try to design novel electronic device based on topological superconductor.

拓扑超导体因为其新奇的物性，特别是其边界上存在马约拉纳费米子态而广受关注。最近，一系列的实验已经发现了一些马约拉纳费米子态可能存在的迹象。但如何进一步的甄别是否是马约拉那费米子态，则是目前整个领域中最关键和最重要的问题。本项目计划系统研究拓扑超导体的输运性质，并希望以此为基础，设计出能够鉴别马约拉纳费米子态的实验方案。主要研究内容包括：（1）对拓扑超导体约瑟夫森效应开展进一步的研究，主要包括以半导体纳米线为母本构造的拓扑超导体和以拓扑绝缘体为母本构造的拓扑超导体这两种体系。（2）基于拓扑超导体体系粒子散射的本质,通过对粒子通道散射信息的分析,尝试寻找可行的探测马约拉纳费米子态的方案（3）在以上基础上研究拓扑超导体的动力学输运性质并尝试用拓扑超导体来设计新颖的电子器件。

马约拉纳零能模因为其非阿贝尔特性而被认为是最有可能实现拓扑量子计算的基本单位。最近，有一系列的实验已经观察到马约拉纳零能模存在迹象。有鉴于实验的进展，我们继续跟进了该方面的理论研究。我们的研究内容主要包括：（1）拓扑约瑟夫森节的系列数值研究。我们系列研究了纳米线半导体线体系以及拓扑绝缘体体系两种最重要体系的拓扑约瑟夫森节。（2）系统研究了马约拉纳零能模的非局域输运特性。（3）向马约拉纳零能模的核心发展-通过数值模拟研究马约拉纳零能模的非阿贝尔特性。通过这些研究，我们系统的揭示了拓扑约瑟夫森节在实际体系中的典型特征。为实验实现分数约瑟夫森效应提供了依据。此外，我们的研究也揭示了一些非拓扑原因导致的类分数约瑟夫森效应，并且为实验所观察到。我们对非局域输运的研究揭示了通过输运方式来探测量子比特的可能性。最后，我们对分数约瑟夫森效应的研究揭示 了在新的非超导体系实现拓扑量子计算的可能性。为进一步实现拓扑量子计算提供重要的理论指导。