狄拉克型超导异质结量子输运特性研究

The Dirac-like electron systems, such as the graphene, the topological insulators, and the Weyl semi-metals, are the frontiers of the condensed matter physics, and have potential applications in the information technology. In those systems, the electron excitations show many singular quantum behaviors, such as the relativistic dispersion relations, the chirality, and the spin helicity. In this project, the spin and electronic transport properties in the heterostructures made of superconductors and Dirac-like electron systems are investigated. The particular attention is paid to the novel Andreev reflection effects due to the peculiar properties of Dirac-like electrons, such as the linear dispersion and the spin helicity. We also foucs on the new possible schemes for the phase manipulation, and the generation and detection of entangled electrons in solids, by use of the novel Andreev reflection. Our research may serve as a physical foundation for the developement of the spintronic devices.

以石墨烯、拓扑绝缘体、Weyl半金属等材料为代表的狄拉克型电子体系是目前凝聚态物理学界的前沿研究课题，在信息技术领域具有重要的应用前景。在狄拉克型电子体系中，电子激发表现出相对论性的线性色散关系，具有手征性或自旋螺旋性等奇异量子行为。本项目研究狄拉克型超导异质结构中的电荷与自旋输运特性。重点探讨狄拉克型电子的新奇特性（如线性色散关系，自旋螺旋性等）对于安德烈夫反射行为能导致哪些新效应，利用这些新效应又能在狄拉克型电子体系的相位调控，固态纠缠电子的产生与检测等方面提供什么新方案，为设计自旋电子学器件提供物理基础。

在本项目（NSFC: 11474149）的资助下，我们主要进行了以下几项工作：1、研究了自旋超导体的约瑟夫森效应。在自旋超导体中，配对的是一个电子和一个空穴，而不是两个电子。因此库伯对不带电荷而是带有两个单位自旋。我们利用BdG方程求解了自旋超导体/绝缘体/自旋超导体隧道结的安德列夫能级和自由能。隧道结的自由能和约瑟夫森流的相位依赖关系均在势垒区强度的调制下展现出0– π相变。临界自旋流对势垒强度的导数也在0– π相变点显示出不连续性。2. 我们研究了处于空间变化的塞曼场中的一维Rashba体系。该体系展现出Jackiw–Rebbi模型中的分数费米子特征。当塞曼场的变化周期是由Rashba互作用强度决定的一个特征量的倍数时，体系中会出现手征对称性保护的具有半个基本电荷的分数费米子。3. 我们还研究了一维拓扑绝缘体/量子霍尔液体隧道结的隧道谱，Bi2Si3 薄膜中的表面态和自旋轨道矩，交流量子自旋霍尔效应，逆Edelstein效应等问题。