基于拓扑超导体Sr2RuO4的介观超导器件的制备与性质研究

Correlated electronic materials have been an excited international research topic in recent years, because they are considered to be the unique topological quantum properties and novel quantum states. Specially, topological superconductor has been suggested to be a very important new materials system that will helpful to achieve the topological quantum computation in future. Basing on our long-term studies in the fields of mesoscopic samples, superconducting devices, micro- and nano-fabrication and the superconducting physics, in this project, we will first start with the design and fabrication of mesoscopic superconducting devices based on topological superconducting Sr2RuO4 and normal superconducting materials, to investigate the microstructure of interface and the superconducting properties in the Sr2RuO4/normal superconductor superconducting Josephson junction. Then we will prepare the non-plane Al-Sr2RuO4 superconducting quantum interference devices in micro dimension with the micro-fabrication techniques, for which there is a 90 degree angle between the two symmetrical Josephson junctions, and make the phase-sensitive experiments to unequivocally establish the odd-parity pairing in this material. We will also strive to explore the topological quantum properties and novel quantum phenomena in the topological superconducting Sr2RuO4, and to investigate the dependence of topological quantum properties on the various control parameters including the electric field, magnetic field, temperature and system scale. Furthermore, we will try to understand its physical nature and mechanism via the combination of experiment and theory analysis, and do our utmost to demonstrate a few topological quantum states, such as chiral domains, domain wall or h/4e quantum vortex, and finally try to find an alternative way of developing the novel superconducting quantum devices.

近年来，功能关联电子材料由于具有独特的拓扑量子性质和新奇量子物态而成为物理前沿研究的热点之一。其中，拓扑超导体是非常有希望成为实现拓扑量子计算的一个重要的新型材料系统。本项目将借助我们长期在小样品制备表征、超导器件的制作、以及微纳加工和超导物理领域积累的丰富经验，重点以基于拓扑超导体Sr2RuO4和常规超导体构成的介观超导器件为研究对象，系统研究由Sr2RuO4/常规超导体构成的超导约瑟夫森结的界面微结构和超导特性，深入开展更小尺寸的Al-Sr2RuO4超导量子干涉器件的相位敏感实验，努力探索拓扑超导体Sr2RuO4中的拓扑量子性质和新奇量子现象，深入研究电场、磁场、温度和体系尺度的调控对材料拓扑量子性质的影响，并通过实验和理论的紧密结合来理解其物理内涵和形成机制；争取再证实如手征畴和畴壁、h/4e量子漩涡等关键拓扑量子物态的存在，为设计开发新型超导量子器件提供有力的实验支持。

近年来，功能关联电子材料由于具有独特的拓扑量子性质和新奇量子物态而成为物理前沿研究的热点之一。其中，拓扑超导体是非常有希望成为实现拓扑量子计算的一个重要的新型材料系统。本项目借助我们长期在小样品制备表征、超导器件的制作、以及微纳加工和超导物理领域积累的丰富经验，在实验上，重点以基于拓扑超导体Sr2RuO4和常规超导体Al构成的介观超导器件为研究对象，系统研究由Sr2RuO4/Al超导约瑟夫森结的界面微结构和超导特性；深入开展几种新型介观超导量子体系的可控制备与性质调控研究；在理论上，通过构建一超导LC回路，模拟分析特定量子行走体系的退相干效应。本研究工作的开展，旨在为设计开发新型超导量子器件提供有力的实验支持和为实验探索新奇量子现象提供有效的理论指导。. 在本研究中，我们首先成功开展了由两个非面内的Sr2RuO4-Al约瑟夫森结构成的屋顶状的Al-SrRuO4-Al SQUID器件的制作与低温性质的测量研究，结果表明所制备SQUID器件中的两个Al-SrRuO4约瑟夫森结几乎是完全对称的，该结果的获得为后续的研究提供器件基础。其次，我们深入开展了不同厚度的准一维超导体Ta4Pd3Te16单晶纳米带的测量研究，最终在该准一维超导纳米带中实现了厚度调制的超导-弱绝缘体的转变行为；我们还借助聚焦离子束技术的Ga+辐照来试图调控了该超导纳米带的低温性质，并成功在该准一维体系中呈现出了超导—绝缘体转变现象。第三，我们还初步开展了新型的准一维介观超导量子材料MoC2超导纳米带的探索研究，不仅观测到了厚度调制的超导抑制现象，而且最近已经在修饰后MoC2超导纳米结构的超导转变的临界温度附近成功观测到了Little-Parks效应。此外，我们从理论上对量子行走体系进行了模拟研究，发现了提高量子们效率的有效方法，为实验探索新奇量子现象提供有效的理论指导。希望本基础研究工作所取得的研究结果，不仅能够有助于加深我们对超导现象及其物理认识，而且能够为将来超导量子器件的应用提供材料基础。