关联电子材料和人工微结构中拓扑超导态研究

Topological superconductors attract much attention as the soil to produce the Majorana fermions in scientific community. Thus, exploring (designing) new materials (artificial micro-structures) hosting topological superconducting states and studying their properties are one of the hot topics and the frontiers in condensed matter physics. Thanks to the coexistence of multiple degrees of freedom and the competition between the dual itinerant and local characters of the electrons, the correlated electron systems such as unconventional superconducting materials and transition- metal-chalcogenides are ideal to produce many exotic quantum states. Artificial micro-structures, which are comprised by several different systems such as metal, semiconductor and superconductor, are the important means to produce many kinds of exotic physics. In this proposal, based on our previous research works, we focus on study about the conditions to produce topological superconducting states, the properties of the topological superconducting states, and the physics relevant to Majorana fermions. Furthermore, we try to clarify the relations between the topological superconducting states and the current disputable experimental results, to predict new experimental phenomena and to explore new topological superconductors. By the studies of the proposal, we hope that the relevant outcomes can deepen our understandings and comprehensions on the topological superconductors in correlated electron systems and artificial micro-structures, and can supply some theoretical reference and guidance to exploration and realization of new topological superconductors and artificial micro-structures in successive experiments.

拓扑超导体作为产生马约拉纳（Majorana）费米子的主要载体受到科学界的广泛关注。因此，探索和设计具有拓扑超导态的新材料和人工微结构并研究它们的性质是凝聚态物理的前沿与热点之一。其中，关联电子体系（比如非常规超导材料，过渡族金属硫/硒/碲化物等）具有多自由度的共存以及电子的巡游性和局域性的竞争,是产生各种新奇量子态的理想载体。人工微结构耦合多种体系（比如，各种金属，半导体，超导体等）是人工产生各种新奇物理的重要手段。以前期的工作为基础，在本项目中，我们计划着重研究关联电子体系和人工微结构中拓扑超导态的产生条件，性质，以及和马约拉纳费米子相关的物理，进而解释当前一些存在争议的实验结果，并进一步预测新的实验现象，探索新的拓扑超导态。通过上述工作，我们希望能加深人们对关联电子体系和人工微结构中的拓扑超导态的认识和理解，为后续实验上寻找和实现新的拓扑超导材料和人工微结构提供理论参考和指导。

与电子等一般的费米子不同，马约拉纳费米子满足分数统计，因而在拓扑量子计算方面具有重要的应用前景。拓扑超导是一类可以产生马约拉纳准粒子的载体，因此，探索发现和研究拓扑超导的材料和微结构是面向未来拓扑量子计算的一个核心基本问题。围绕这一问题，本项目在铁基超导等非常规超导材料、拓扑材料及其微结构中开展了超导电性相关的一系列探索。在铁基高温超导中，我们类比拓扑绝缘体中拓扑相变的条件，研究了铁基超导中能带拓扑以及超导态拓扑的机理，提出了自赋性拓扑超导的概念；研究了铁基超导共生反铁磁序诱导的新型拓扑量子态：拓扑晶体反铁磁态。在新型拓扑半金属材料探索及其硬针尖点接触结构的超导电性方面，我们通过理论分析和材料计算对多种AB2型二元化合物做了详细的材料筛选设计，通过样品生长和实验表征，发现了两种新型的拓扑半金属材料，狄拉克半金属：黄铁矿型PtBi2以及三重简并半金属：三角层状半金属PtBi2；进一步我们通过非磁/磁性金属针尖在拓扑半金属WC、TaAs、TaAs2、NbAs2等拓扑材料表面形成硬的针尖点接触，研究诱导的界面超导电性，结果表明合适的界面耦合是驱动体系出现超导电性的关键，磁性针尖表明超导电性可能具有拓扑非平庸的特性。针对二维材料NbSe2、异质结构BN/WTe2/BN以及拓扑半金属ZrSiSe，我们研究了体系中的电声子耦合和电子关联效应所驱动的超导电性或其他新奇量子物态，指出了实验拓扑超导的可能性。这一系列研究成果提供了一些实现拓扑超导的实例和可能性，为推动实现马约拉纳费米子奠定了基础，对未来的拓扑量子计算有重要意义。.本项目的研究内容和研究目标全部完成，建立了广泛的国际合作。已发表与项目相关的研究论文15篇（均致谢该项目基金支持），包括Physical Review Letters 4篇，Nature Communications 1篇，National Science Review 1篇，Physical Review B 5篇，其他论文4篇。