拓扑绝缘体/超导体中的量子磁杂质效应及相关输运理论

Introduction of magnetic impurities is an effective way to understand the time-invariant symmetric topological quantum states best, and also is powerful tool to explore the novel quantum effect. Presently, most theoretical investigations are mainly based on classic magnet of impurities. In order to deeply understand the underlying physics in topological materials, this project is studied based on quantum magnet of impurities, emphasizing the interplay between topological quantum states and internal degrees of impurities (such as excitations of magnetic quantum and electron-electron interactions). The contents are included as follows. 1)Study the interaction between quantum magnetic impurities and topological quantum states, searching for the theoretical approach to explore and control the topological quantum states. 2) Study the competition between spin-orbital coupling and electron-electron interactions, and the Kondo effect. Our purpose is to understand the suppression of backscatting with respect to magnetic impurities and the opening gap in Dirac cone from a different aspect. 3)Study the Kondo effect in single-molecular magnets with high spin and its flip, focusing on the influence of spin-momentum locking on molecular magnetic anisotropy. 4)Explore the Majorana fermion in a Majorana-quantum magnetic impurity coupling system, characterizing the Majorana quasi-particle from transport properties. This project will not only give a deep understanding of the topological materials, but also provide new ideas to design spintronic devices.

引入磁性杂质是深入理解时间反演对称性拓扑量子态最有效的方法，也是探索新奇量子效应的有力手段。目前，大多数理论研究主要建立在经典磁杂质模型基础上。为了更深入地理解其物理本质，本申请项目将以量子磁杂质模型为基础开展研究，突出拓扑量子态与磁杂质内部自由度（如磁量子激发、电子互作用等微观机制）的相互影响。具体研究内容包括：1）研究量子磁杂质与拓扑量子态电子之间的关联特性，寻找探测、调控拓扑量子态的理论方案。2）研究自旋-轨道耦合与电子互作用之间的竞争及 Kondo效应，从一个新角度理解磁杂质背散射压抑及Dirac点能隙现象。3）研究高自旋单分子磁体的 Kondo效应及其自旋翻转，探讨自旋-动量锁定对分子磁各向异性的影响。4）利用 Majorana-量子磁杂质耦合系统探测 Majorana 费米子，从输运上特征化Majorana准粒子。 本项目既能深入理解拓扑材料，又能为开发自旋电子器件提供新思路。

拓扑绝缘体由于具有独特的能带结构表现出迷人的特性，深入理解拓扑量子态的性质已成为日前一个非常活跃的研究课题。为了揭示拓扑量子态的性质，引入时间反演对称性破缺的磁性杂质是最有效的方法之一。我们发现掺杂的拓扑绝缘体表现出诸多有趣的的量子效应，从而能更深入地理解、调控拓扑量子态。本项目我们重点研究了量子磁杂质与拓扑量子态的相互作用，涉及三维拓扑绝缘体表面、黑磷、硅烯、以及三维 Weyl/Dirac半金属，它们具有线性的色散关系和强的自旋-轨道锁定共性，同时它们又具有各自的特性。这些量子态与磁杂质发生作用的时候展现出丰富的物理特性，主要结果如下： 1）一方面磁杂质通过破坏时间反演对称性及强的散射作用，强烈地修正着拓扑量子态的线性关系，甚至能产生共振态破坏其Dirac点，影响着Dirac电子的电、热输运特性；同时发现拓扑量子态的自旋-轨道锁定特性能调节磁性杂质的动力学行为。2）利用具有强自旋-轨道耦合作用的三维拓扑绝缘体表面及Weyl半金属，研究了磁性杂质中自旋量子态及Kondo效应。拓扑量子态可以导致量子磁杂质 Kondo效应的形成，但费米面必须偏离 Dirac点位置，由拓扑量子态成的 Kondo峰在外加磁场情况表现出与普通金属态不同的特征。在Weyl半金属中发现磁杂质势能导致的有趣的拍频现象，可以用于识别Weyl半金属的特征型号。3）研究了高自旋单分子磁体的 Kondo效应及其自旋翻转。我们发现拓扑量子态强的自旋-动量锁定特性显著地影响着磁性杂质内部自旋态非弹性跃迁选择定则，从而影响着Kondo效应的形成及其分子磁体的翻转。4）我们研究了量子点/Majorana/量子点双隧道结系统，发现 Majorana 束缚态有助于形成多种隧穿机制，在这些不同的隧穿过程中，Majorana费米子显著地影响着平均电流和噪声谱，可以用于特征化 Majorana费米子存在。总之，我们深入探索了磁掺杂拓扑材料的一些新颖量子效应，为量子态的构建及电子器件的设计提供理论支撑。