介观Josephson结及双带超导体中涡旋物质和磁通周期性研究

Novel quantum effects in mesoscopic superconducting systems as well as their practical applications becomes a very promising research domain. Based on our previous works, the project aims at a theoretical investigation of the vortex matter and magnetic flux periodicity in mesoscopic Josephson junctions and two-band superconductors, which both present great potential for applications, in the framework of the Bogoliubov-de Gennes theory or the Ginzburg-Landau theory. Through considering proper physical models, the quantum transport features of the systems will be studied systematically. Main expected results are summarized as follows： (1) Associated with recent experimental observations, we would like to investigate the effect of imprinted asymmetric phase difference on a mesoscopic Josephson junction by pinning the Abrikosov vortex. Based on this novel concept, we try to demonstrate a new Josephson vortex ratchet and propose more efficient rectification systems than earlier ones; (2) We investigate further the periodic evolution of currents and the quantum phase transitions in mesoscopic Josephson systems, and reveal the fundamental principles, and explain the related experimental results, then propose new methods of quantum controlling; (3) We turn to analysis in detail the properties of vortex states and the magnetic flux periodicity in mesoscopic two-band superconducting systems, and clarify the unusual experimental phenomena, and envisage new features beyond known single-band effects, then offer ways to develop new types of quantum electronic devices.

介观超导体系中的新奇量子效应及其应用已成为当前研究热点之一。在前期研究基础上，本项目主要围绕应用前景广泛的介观Josephson 结和双带超导体中的涡旋物质及磁通周期性展开基础和应用研究。基于有效的Ginzburg-Landau 或Bogoliubov-de Gennes 理论框架，建立合适物理模型，系统深入研究体系量子输运特性，拟取得以下主要成果：（1）结合最新实验进展，通过介观Josephson 结中Abrikosov 涡旋效应的研究，提出新型涡旋Ratchet 系统以及其在电压整流等方面的深层次应用；（2）研究介观Josephson 系统中的电流周期性演化及量子相变模式，揭示其基本规律，解释相关实验现象，并提出量子调控方法及应用原理；（3）进一步分析介观双带超导体系中的涡旋态性质及磁通周期性，澄清涡旋态反常实验现象，并预知新结果，为新型量子电子器件的研究与开发提供参考和基础理论储备。

受限超导体系中新奇量子效应因其广泛应用前景已成为当前研究热点之一。本项目主要基于有效的Ginzburg-Landau或Bogoliubov-de Gennes 理论框架，建立合适物理模型，系统深入研究了介观Josephson结以及多带p波超导体系中的涡旋物质及磁通周期性演化特性，取得了以下主要成果：.（1）.介观超导对称或非对称正方环（类似于Josephson通透结）中的磁通涡旋态结构以及涡旋-反涡旋配对态的产生和湮灭会受到外加直流和交流信号的强烈影响。同时，在该类系统中引入磁性或非磁性杂质，体系电流-磁通关联随着杂质特性及中间杂质层厚度的变化，会出现新奇的0-π态相变。另外，通过考虑界面邻近效应和自旋倒易势，分析了多类异质结系统中的反常自旋三重态超流及量子输运特性，很好的解释了近期实验观测结果。.（2）.对于介观多连通超导系统，自旋-轨道耦合作用能使超导能级产生显著分裂。在合适耦合强度及外加Zeeman场情形下，Majorana零能模式能够在d波超导环中得以实现，并伴随有新奇的超导量子相变，很好的解释了实验上出现的分数磁通周期性现象。另外，在介观s波超导正方环中引入磁性杂质会引起能带内束缚态，进而在某一合适的杂质强度时能隙会闭合。与此对应，自旋电流在零能点处会发生跃变，表现出新奇的电流演化情形。该类结果提供了实现和探测Majorana费米子的一种有效方法，对未来新型量子电子器件的研究与开发有重要基础意义。.（3）.在p波对称主导的混合配对超导系统中，化学势的少许改变就可导致新奇的基态能量和磁化演化模式。在合适磁通下，基态能量发生跃变，进而引起自旋极化电流呈现分数周期性演化。对于介观手征p波多连通超导系统，超导序参量的空间分布强烈依赖于环臂宽度、超导配对强度以及温度的大小，很好的解释了实验上观测到的非传统量子振荡现象。特别的是，在该类系统中我们发现了新奇的斯格明子拓扑缺陷态以及半磁通量子的涡旋-反涡旋配对，这对理解手征p波超导体中潜在的拓扑超导电性具有重要意义。