超导/拓扑绝缘体系统的输运问题

Recently, superconductor/topological insulator (S/TI) junction system has drawn a lot of attention since people hope to realize the long-sought yet elusive Majorana fermion in such system. The S/TI junction has been fabricated in experiment, and the direct evidence for Josephson supercurrent in S/TI/S junction has been observed. However, nearly all the transport theories for S/TI junction nowadays are based on the simplified model of surface state, in which only the transport of surface state has been considered. Experiments indicate that the bulk states in TI will play an important role in the transport and could be adjusted by doping or gate voltage. The purpose of this proposal is to develop a transport theory for S/TI system which could describe the contributions of the surface state and bulk state in an uniform way. The basic idea is to use the entire k.p model Hamiltonian of TI instead of the model Hamiltonian of surface state. We plan to use both analytical and numerical methods to treat this system. Then, with our theory, we want to study several concrete transport problems about the S/TI junctions. We believe that the research of this proposal will offer us a complete physical picture for the transport in S/TI junction. It is not only of fundamental interest, but also of a great benefit to future device application

拓扑绝缘体是当前凝聚态物理的研究热点。超导/拓扑绝缘体系统由于其自身的独特性质最近受到广泛关注。实验上已经成功制备出了超导/拓扑绝缘体结，并测到了超导Josephson流。但是，当前这一系统的超导输运理论都是基于简化表面态模型，只关注了拓扑绝缘体表面态的超导输运，与实验情况差别较大。实验中，拓扑绝缘体体内电子态对输运有不可忽略的贡献。通过调整掺杂或门电压控制，可以调节费米面，进而调整体内和表面载流子的相对比例。本项目计划发展一套能够统一描述拓扑绝缘体体内电子态和表面态超导输运的计算方法。基本思想是从拓扑绝缘体k.p模型哈密顿量出发，用解析和数值的方法求解相关物理问题。然后基于此方法，研究这一系统中几个和实验紧密相关的物理问题。本项目的研究能够帮助我们深入全面的理解超导/拓扑绝缘体系统超导输运的规律和特点，不仅具有基础科学研究价值，还可指导未来量子器件的发展。

该项目在进行期间，由于国内外多个研究组相继发表了和项目原预定目标类似的研究结果，因此课题组结合实际，适当调整了研究计划，最终本项目的研究集中在两个方向： (1) 基于金属表面的人工两维晶体的设计；(2) 多层石墨烯中的关联基态。在这两个方向上课题组取得了以下重要结果： (a) 关于金属表面的人工二维晶体，我们仔细分析了现有实验结果，构建了基于Cu(111)/CO系统的理论模型和参数，并提出了在这一量子反点格子（anti-dot lattice）系统中模拟复杂电子晶格的普适方法。以此为基础，我们提出了在金属表面上构建凝聚态物理领域中特别关注的Kagome 和Lieb电子晶格的具体实验方案。特别要提到的是我们关于Lieb电子晶格的实验方案最近已经被国外研究组在实验中完全实现了。这一工作的重要性不仅在于第一次在固体体系中实现了电子的Lieb晶格，而且由于Lieb晶格自身的特性， 我们所预测的平带电子局域化现象也在实验中观测到了，这是第一次在固体电子系统中观测到这一现象。我们的工作为研究平带电子的物理性质提供了第一个真实的实验平台，同时也表明基于金属表面的人工电子晶格这一新的实验系统中有丰富的物理现象值得进一步去探索。(b) 在多层石墨烯系统的关联基态方面，我们以双层石墨烯为例，提出了一个在Hubbard模型上通过掺杂和施加电场来诱导出半金属态的普遍方法。该结果的重要性在于指出了Hubbard模型这一凝聚态物理中最基本的关联模型中也可以有半金属相，为未来在实际材料中寻找半金属态给出了一个新的思路。我们的工作发表后，国外的研究组将我们提出的模型推广到了任意的ionic Hubbard模型上，并在无穷维的情况下对我们预测的半金属相给予了严格证明。在本项目资助下，课题组截至2016年底已在国际前沿杂志上发表高水平论文9篇，其中Phys. Rev. B 7篇（其中3篇Rapid Communication），Nanoscale 1 篇， 基本完成项目预期目标。