拓扑和伊辛超导的自旋物性及其应用

Spin, an intrinsic quantum degree of freedom of electrons, plays a crucial role in fundamental condensed matter physics and advanced technological applications. In superconducting system, the intrinsic p-wave superconductors, carrying spin-triplet Cooper pairs, are uncommon in nature, which greatly blocks the further research for spin properties of superconductors. Besides, for topological superconductors, the current experimental methods, based on the charge degree of freedom cannot provide the smoking gun for the existence of Majorana fermions, becoming the bottleneck of the topological superconductor study. This project overcomes the limitations of the current experimental frame of detecting Majorana fermions according to their charge degree of freedom and propose a series of experimentally accessible schemes for detecting and operating Majorana fermions, and identifying their non-Abelian nature based on topological superconducting spin properties; explore the universal mechanism of the stable spin-triplet states and search the new platform of realizing topological superconductors by studying the spin properties of the magnetic impurity induced Yu-Shiba state in non-Rashba strong spin-orbit coupled Ising superconductors, and comparing the main differences and similarities to the spin properties Majorana fermions,; complete the study of Josephson effect and superconductor dynamics in spin degree of freedom and develop the new quantum manipulation methods from the superconducting spin properties. This project will break through the development bottleneck of topological superconductors, and substantially promote the fundamental research and advanced technical applications of superconductor spin properties.

自旋是电子內禀自由度，在基础凝聚态物理和前沿技术应用领域扮演了核心角色。在超导系统中，承载自旋三重态库伯对的p波超导在自然界很难存在，阻碍了超导自旋物性研究的发展。另一方面，对于拓扑超导，基于电荷自由度的实验无法确切证实Majorana费米子的存在，使拓扑超导研究陷入瓶颈。本项目将突破基于电荷自由度研究Majorana费米子的框架，设计基于超导自旋物性的探测、操控Majorana费米子和验证其非阿贝尔统计属性的实验可行性方案；在非Rashba的强自旋轨道耦合的伊辛超导中，通过Yu-Shiba态自旋性质的研究，比对其与Majorana费米子自旋性质的异同，探索自旋三重态超导关联稳定存在的普遍机制，寻求实现拓扑超导的新平台；完成自旋自由度下的约瑟夫森效应和超导动力学理论，并发展基于超导自旋物性的量子调控手段。本项目将突破目前拓扑超导领域的发展瓶颈，并实质性推动超导自旋物性的基础研究和前沿应用。

本项目是基于凝聚态研究前沿领域，拓扑超导和拓扑量子计算，理论研究了拓扑超导自旋属性及其在确定马约拉纳零能模和调控拓扑量子比特方面的应用。拓扑超导是基态简并的超导体，其简并基态的特性由马约拉纳零能模的存在来表征，并使得这种零能激发的准粒子具有非阿贝尔统计属性。由于在前期的研究基于最原始的无自旋的Kitaev一维p波拓扑超导模型，马约拉纳零能模的自旋属性没有得到广泛的研究。同时基于零偏压电导峰的马约拉纳零能模的实验测量并不能给出其存在的确凿证据。我们项目基于此，研究了具有强自旋轨道耦合的一维纳米线系统，两维材料以及铁基超导系统中的拓扑超导的相关研究。1. 在一维纳米线系统，我们研究了超导自旋极化在传统超导体和拓扑超导体中的不同，并证明马约拉纳零模的超导自旋极化的变化在纳米线系统中和拓扑相变是关联的，可以作为其存在的实验证据。同时马约拉纳零能模的超导自旋极化属性可以使得零模之间的耦合被自旋轨道耦合调控，从而对实现全电压调控的马约拉纳零能模的编织，及基于此的拓扑量子比特的门操作提供了理论依据。2.在两维系统我们研究了实现伊辛超导的具有强自旋轨道耦合的honeycomb格子中，可以由普通的自旋单态配对势和平面内的磁场实现高阶拓扑超导和马约拉纳角态。我们进一步发现这种实现高阶拓扑超导的方法也可以应用于二维铁基超导。由于这是在两维系统中直接实现马约拉纳零能模，并和面内磁场方向无关，我们证明这对进一步实现马约拉纳零能模的耦合和可扩展的马约拉纳超导电路具有优势。我们的研究对深入理解马约拉纳零能模的物性，并结合拓扑物态理论的最新进展，在可扩展的拓扑超导系统中实现非阿贝尔任意子及拓扑量子计算奠定了理论基础。