自旋超导和电偶极超导

In this proposal, we will theoretically investigate the spin superconductor thoroughly and will also propose the concept of electric dipole superconductor. As compared with the (charge) superconductor, the spin superconductor is the condensate superfluid state of spin-1 and charge neutral bosons. In what follows, we will address the interesting issues in the proposal. 1). In previous works, the spin direction of the spin superconductor is fixed, e.g., along the z-axis. Here, we will consider the spin superconductor, of which the spin direction is not fixed, and derive its Ginzburg–Landau-type equations and BCS Hamiltonian. 2). We will study the spin-flip reflection in the interface of normal conductor-spin superconductor hybrid system, which is similar to the Andreev reflection in the interface of normal conductor-superconductor system. 3). We will study some specific spin superconductors, e.g., the BEC of the magnetic atoms, the condensate state of the magnons. In particular, we will focus on the electric Meissner effect and the spin-current Josephson effect. 4). Meanwhile, we propose the concept of electric dipole superconductor and investigate its behavior under the external electromagnetic field. Through these investigations, we attempt to provide a complete theoretical framework for describing the behaviors of the spin superconductor, and find some interesting macroscopic quantum phenomena. These investigations are not only original and important in basic science, but also have applications for the future quantum electronic devices.

我们拟深入研究自旋超导态，同时也提出电偶极超导态。自旋超导态是相对应于(电荷)超导，它是由自旋为1电荷为0的玻色子凝聚成的超流态。具体研究以下几个问题：1）以前工作假设自旋超导态的自旋方向是固定不变的，本项目拟把它推广到自旋方向不固定的情况；拟推导出它的类金兹堡-朗道方程和BCS型哈密顿量。2）研究普通导体-自旋超导耦合界面的自旋翻转反射（类似于导体-超导界面的Andreev反射）。3）研究一些具体的自旋超导体系，如磁性原子的BEC、磁子体系等；着重研究它们的电迈斯纳效应、自旋流Josephson效应。4）提出电偶极超导，并研究它在外电磁场下的性质。通过这些研究，以期给出自旋超导的完整理论体系，和发现一些有趣的宏观量子现象。这些研究既具有原创性和基础科学意义，也在量子电子器件设计方面有应用前景。

在本基金的资助下，我们按计划对“自旋超导和电偶极超导”开展研究。四年来，研究进展很顺利。至今，我们已很好地完成了本项目的研究任务，顺利达到了项目预期目标。主要研究成果以学术论文的形式发表。在本项目资助的四年期间，共发表了学术论文46篇，其中Phys. Rev. Lett. 1篇，Phys. Rev. B 35篇。另外，一人于2019年获得周培源物理奖，一人于2018年获得国家万人计划创新领军人才。毕业博士生4名。.主要研究成果有：.1）、对比自旋自由度和电荷自由度，一个本质的区别是：电荷是一个标量，而自旋是一个矢量。我们把单分量的自旋超导体推广到自旋非极化的情况。提出用三分量波函数来描述非极化自旋超导态，并推导出其类金森堡-朗道方程。这类金森堡-朗道方程可以应用于各种非极化自旋超导体，它给出自旋超导态与外电磁场的相互作用。.2）、我们在普通导体-自旋超导耦合界面预言了自旋翻转反射。在自旋压的作用下，通过这自旋翻转反射，把普通导体中的有耗散的自旋流转换成自旋超导中自旋超流。.3）、利用Berry相位，在AB环体系中提出了对拓扑扭结态的有效调控手段，并实现谷自由度的调控和极化。.4）、提出用STM探针耦合来调控马约拉纳费米子的相位。另外，在马约拉纳边态-量子点-马约拉纳边态构成的体系中，提出通过用栅电压调节量子点能级的手段，实现对手性马约拉纳边态编织的有效调控。进一步，基于量子反常霍尔绝缘体和拓扑超导构成的复合体系，提出了实现系列性的编织方案。这任意的可扩展编织方案为基于马约拉纳边态实现拓扑量子计算和证实其交换非阿贝尔特性奠定基础。.5)、在第二类Weyl半金属-超导界面，提出双Andreev反射：即一束电子入射将被反射回二束空穴。在铁磁-伊辛超导耦合界面，提出自旋三重态Andreev反射：即二个自旋方向相同的电子进入超导结合成库柏对。.以上这些成果，加深人们对自旋超导和电偶极超导的理解，促进自旋超导领域的发展，也为基于自旋超导的新奇特性而设计各种量子电子器件提供理论依据。