固体系统中电子纠缠态的高效制备与调控

Quantum entanglement is a remarkable property predicted by quantum mechanics, which has important applications in the quantum information and computation schemes. The electronic entanglement in solid state systems has attracted extended attention, for the perspective of solid based large-scale implementation of quantum information and computation schemes. Recently, several experimental groups reported the observation of the entangled Cooper pair splitting from the superconductor, which made a great progress of the study on the electronic entanglement. However, it remains a big challenge to observe and manipulate the entangled electron pairs, which needs to significantly enhance the entanglement production rate in a controllable way, and overcome the decoherence effect due to the complex background. In this project, we will study how to generate entangled electron pairs with high efficiency and controllability, and search for easy-to-implement detection and manipulation schemes. We will investigate the effects of the time, space and energy dependent physical conditions on the transport and dynamics of the entangled states. It will not only provide theoretical supports for the solid state quantum information and computation schemes, but also deepen our understanding on the basic physics of electronic entanglement in solids.

量子纠缠是量子力学所预言的奇妙特性，它在量子信息和量子计算中有重要的应用。固体系统中的电子纠缠长期以来吸引着物理学界的广泛关注，旨在实现固态大规模量子信息技术和量子计算。最近，国际上几个实验组相继观测到了超导体中处于纠缠态的库伯对的分离，这是电子纠缠态研究的重大进展。然而要在此基础上实现对纠缠电子对的测量和操控依旧充满挑战，这需要大幅提高纠缠电子对的输出效率和可控性，并克服复杂环境所带来的退相干效应。本项目主要研究高效率和高可控性的纠缠电子对输出，以及易实现的电子纠缠态测量和操控方案。着重考察时间、空间、能量依赖的物理条件对纠缠态输运和动力学的影响，进而优化电子纠缠态的输出、探测和操控方案。这不仅为实现固态量子信息过程和量子计算提供了理论支持，也将加深我们对于固体中的电子纠缠这一基本物理问题的理解。

近十年来，凝聚态物理的最大进展之一，是拓扑材料的发现。除了在基础物理上的重要性之外，这些材料的发现也预示着重要的潜在应用，例如低功耗电子器件，拓扑量子计算等。拓扑量子态的出现与电子纠缠密不可分，利用纠缠谱可以理解能带拓扑性质的来源。所以拓扑材料提供了一个研究电子纠缠态及其动力学演化的理想平台。本项目着重研究了拓扑材料的输运性质，并探索了其在电子纠缠态调控中的应用，项目执行期间取得了以下成果：.(1)利用电子在二维拓扑绝缘体边缘态中的干涉输运，提出了边缘态螺旋性的直接证据。因为螺旋性的存在，电子的向前跨边散射必定伴随着pi的自旋翻转，而连续两次这样的过程，导致总的自旋旋转角度为0或者2pi。这可以在电导的干涉振荡图样中显示为pi的相位移动。.(2)近些年，能谷电子学引起了大家广泛的兴趣，因为能谷可以作为除电子自旋以外的额外自由度，为电子操控提供更多的可能性。其中，利用能谷自由度来实现电子态的纠缠，是一个十分有趣的研究课题。本项目研究了一个理想能谷电子学体系与超导体的耦合，指出了能谷过滤器会抑制Andreev反射，这对于能谷纠缠态的产生和探测都具有重要的意义。.(3)拓扑节线半金属是近些年的热点材料，三维体系的导带和价带在一维的节线上交叠。一维的节线理论上可以有很多种构型，一种有趣的情况就是两个节线嵌套在一起，构成Hopf链。我们率先提出了Hopf链半金属的模型，实现了两条节线链接在一起，此工作引起了较好的反响，成为高被引论文，被很多拓扑材料的大组在后续工作中引用。.(4)拓扑节线半金属中的鼓面态不同于拓扑绝缘体中的表面态，它并没有那么稳定，并且由于体态是无能隙的，要对它进行探测是十分困难的。我们研究了探测拓扑节线半金属中鼓面态的方案，提出了这种表面态会导致共振的自旋翻转反射。我们提出了两种实验方案，这种共振效应可以在自旋电导和普通电导谱中表现为共振峰，因此可以提供鼓面态的直接证据。.(5)我们发现了以拓扑节线半金属为出发点，引入相互作用和自旋轨道耦合可以诱导表面态成为表面陈绝缘体。表面陈绝缘体由非零的陈数刻画，并会产生手征边缘态，在三维的体系中，表现为手征的沿着体材料的棱传播的边缘态。