基于拓扑材料的超导复合结构中自旋极化输运特性研究

The realization of long-distance spin-polarized transport is one of the important topics in the field of spintroincs, and the spin-polarized current carried by an equal-spin-triplet Cooper pair provides a feasible avenue for achieving this objective. The spin-triplet pairing state is the precondition to get an equal-spin-triplet Cooper pair. It is revealed that the topological-material-based superconducting hybrid structures harbor spin-triplet pairing states and thus are significant for the generation and manipulation of spin-polarized current. In this project we would like to investigate the spin-polarized transport properties in topological-material-based superconducting hybrid structures. We intend to ① discuss how to realize spin-polarized currents by virtue of the spin-triplet pairing states; ② reveal the effects of the spin-momentum-locked textures of topological surface states, the Fermi loops of Dirac semimetals, the Fermi arcs of Weyl semimetals, and the chiralities of Weyl nodes on the creation and isolation of equal-spin-triplet Cooper pairs; ③ investigate the influences of strong spin-orbit coupling and linear dispersion relation on the transport properties of spin-polarized currents. We devote this project to uncovering the underlying mechanism dominating the creation of equal-spin-triplet Cooper pairs and the manipulation of spin-polarized currents, and thus providing theoretical foundations for the application of topological materials in spintronics.

如何实现长程自旋极化输运是自旋电子学领域的重要科学问题之一，以等自旋三态库伯对携带自旋极化流是一条可行的途径，而自旋三态超导配对是获得等自旋三态库伯对的前提。研究发现基于拓扑材料的超导复合结构具有自旋三态超导配对，因而在自旋极化流的产生和调控方面有重要意义。本项目拟研究基于拓扑材料的超导复合结构中自旋极化流的输运特性：① 探讨如何直接利用该结构中的自旋三态超导配对实现以等自旋三态库伯对为载体的自旋极化流；② 揭示拓扑绝缘体表面态的自旋-动量锁定、狄拉克半金属的费米环、外尔半金属的费米弧及外尔点的手征性等拓扑材料所独具的物理性质在等自旋三态库伯对的产生和分离方面的作用；③ 研究拓扑材料的强自旋轨道耦合效应、线性色散关系对自旋极化输运特性的影响。本项目旨在揭示基于拓扑材料的超导复合结构中等自旋三态库伯对的产生机理和自旋极化流的调控机制，为拓扑材料在自旋电子学中的应用提供理论依据。

近年来，以外尔半金属为代表的拓扑材料受到人们的广泛关注。作为典型的拓扑材料，外尔半金属具有强自旋-轨道耦合效应和新奇的表面费米弧，有望实现低能耗、高效率的自旋电子学器件。另外，基于外尔半金属的金属点接触结构有望实现自旋极化的超导电流，因而在超导自旋电子学领域有重要的潜在应用价值。阐明拓扑材料和基于拓扑材料的复合结构的输运特性是实现拓扑材料的潜在应用价值的重要前提之一，本项目在这一方面开展研究，完成了以下几个方面的工作：① 在基于第一类外尔半金属的三终端超导复合结构中实现了完全交叉安德烈夫反射过程，该过程可以在较宽的参数范围内实现，且不受界面势垒的影响；② 阐明了基于第二类外尔半金属的超导复合结构中的非局域安德烈夫散射机制，揭示了第二类外尔半金属能带的各向异性对非局域超导关联输运的影响；③ 揭示了外尔锥的倾斜效应对外尔变金属磁性结的磁阻效应和微分电导的影响。另外，在本项目的资助下，我们还阐明了半狄拉克材料-超导体结中的安德烈夫反射机制，揭示了半狄拉克费米子的赝自旋结构对超导关联输运特性的影响。