拓扑材料-超导体异质结制备与电输运研究

The superconducting proximity effect based on the superconductor and topological materials is one of the most effective ways to realize the topological superconductors. The vortex in the topological superconductor will manifest the Majorana fermion zero energy mode. The Majorana fermions satisfy the non-Abelian statistics, and the exchange of two particles will lead to changes in the quantum state of the system, triggering the research enthusiasm for the study of topological quantum computing. In this project, several heterojunctions of topological nanomaterials and superconductors will be fabricated and their quantum transport properties will be investigated. Typically, three representative systems, that is, the superconductor/topological semimetal nanowire heterojunction, the superconductor/topological Kondo insulator nanowire heterostructure, and the superconductor/topological insulator nanoplate heterostructure, will be focused on. We will investigate the quantum transport properties of the topological superconductor heterostructures by tuning the measurement conditions, including temperature, bias current, magnetic field, bias voltage, gate voltage and microwave frequency. This project will allow us to reveal novel physical phenomena induced by the Majorana fermion zero energy mode in the topological superconductors.

利用拓扑材料与超导体的近邻效应是实现拓扑超导电性的有效途径之一，而拓扑超导体中的涡旋会出现马约拉纳费米子零能模，马约拉纳费米子满足非阿贝尔统计，交换两个粒子会导致系统状态的变化，引发了人们对拓扑量子计算的研究热情。本项目拟从实验上制备几种拓扑纳米材料与超导体的异质结并测量它们的量子输运特性，详细研究超导体/拓扑半金属纳米线异质结、超导体/拓扑近藤绝缘体纳米线异质结、超导体/拓扑绝缘体纳米片异质结三个典型的体系，通过量子输运测量深入研究异质结中超导电性随温度、电流、磁场、偏置电压、门电压、微波频率等的变化关系，揭示拓扑超导体中马约拉纳零能模诱导的新奇物理现象。

拓扑量子计算因拓扑保护赋予的容错特性，以及非阿贝尔编织对环境噪声的抗干扰能力，在量子信息的处理和存储中将具有优越性。拓扑超导体中承载的马约拉纳零能模是实现容错量子计算的候选体系之一，其中拓扑超导可以由拓扑材料与s波超导体的异质结构建。为此，本项目围绕拓扑材料-超导体异质结的制备与电输运展开研究。.主要研究：1）拓扑超导异质结的制备工艺；2）超导近邻效应的探究；3）拓扑超导量子态的输运研究及电学调控；4）寻找马约拉纳零能模的实验迹象。.取得的主要结果：1）拓扑材料（Cd3As2、MoTe2及SmB6）-超导体（Nb及NbN）异质结的成功构建及近邻超导的实现；2）拓扑半金属Cd3As2约瑟夫森结中，发现了4周期的超导电流，定量分析了4周期信号的占比对夏皮罗台阶剩余电流的影响，提供了4周期信号的另一个实验证据（PRL 121, 237701, 2018）；3）揭示狄拉克半金属Cd3As2表面态超导电流的轨道干涉效应，并发现超导临界电流在狄拉克点处因费米弧态密度极大而取最大值的现象（Nat. Commun. 11, 1150, 2020）；4）狄拉克半金属Cd3As2中超导电流输运模式的过滤效应及高阶拓扑棱态的发现，超导电流的量子干涉随约瑟夫森结沟道长度增大而偏离夫琅禾费花样，偏向SQUID-like图样（PRL 124, 156601, 2020）；5）狄拉克半金属Cd3As2约瑟夫森结中栅压调控实现拓扑相变，载流子调至空穴端时，量子振荡的磁通周期从h/e变为h/2e，且超导临界电流和磁场均被增强（PRL 126, 027001, 2021）。.本项目所取得的研究成果促进了人们对拓扑超导物理机制的理解，并且对拓扑量子计算领域具有重要的科学意义。