金属、超导和磁性异质纳米结构中的新颖量子现象探索

本项目将围绕超导纳米结构中的各种近邻效应，深入研究S波超导与d波铜基高温超导或铁基超导、P波超导、半金属铁磁体薄膜纳米线或纳米颗粒以及拓扑绝缘体纳米线等异质纳米界面结构中的相互作用，探索在这些体系中可能出现的新现象和新物理。如在S波超导/拓扑绝缘体纳米线界面可能存在的、理论上已经预言的Marjorna费米子，在超导/超导纳米结构中的反近邻效应，在超导/铁磁纳米界面的奇异长程近邻效应等。另外，我们也将探索超细拓扑绝缘体纳米线在强磁场下可能诱导产生的新量子态或量子现象，如可能存在的Luttinger液态行为等。通过对以上问题的研究，丰富和加深人们对小尺寸体系中量子现象的认识和理解。争取在一些关键问题上取得有国际影响力的基础研究成果，为我国在信息和材料等高科技领域的自主创新奠定基础。在技术上，也为新一代量子器件的研发提供依据和指南，促进材料、器件的小型化、高密度化、高性能化。

本项目主要以金属、超导和磁性纳米线及其异质结构中的新颖量子现象为研究对象，通过设计、制备系列纳米结构与量子器件，系统研究器件在低温、强磁场等极端条件下的量子输运现象以及磁场诱导的相变等。 在项目执行期间，主要开展了以下几个方面的研究：（1）半金属拓扑量子材料（拓扑绝缘体、半金属等）高磁场下的量子输运与磁调控研究；（2）低维螺旋磁体纳米带或纳米盘中拓扑磁结构的实空间观察与操控研究；（3）新型准一维Nb2PdS5超导单晶的超导-绝缘体相变及尺寸效应研究。 获得具有重要意义的创新性成果包括：（1）首次在FeGe螺旋磁体纳米条带中实验发现在低温下边缘诱导的skyrmion单链磁结构且skyrmion的数目由螺旋基态的周期决定；随着温度升高且靠近居里温度时，条带中才形成skyrmion晶格。 这个发现修正了国际对禁闭几何中skyrmion磁结构的认识；（2）在细MnSi纳米线中首次实现对单个拓扑磁skyrmion子产生和湮灭的电探测；（3）在准一维超导合金Nb2PdS5纳米线中实现尺寸调控的超导—绝缘体转变，且证明控制转变的机制不是目前普遍认为的正常态量子电导，而是由其截面积控制；（4） 我们利用角度关联的高磁场磁阻测量，首次证明并提出尺寸效应诱导半金属Bi纳米带具有拓扑保护的表面态(大块单晶Bi不是拓扑绝缘体)。以上这些结果对新型拓扑磁量子信息器件设计和研发具有重要指导意义，为我国在信息和材料领域的自主创新，促进器件小型化、高密度化和低能耗化奠定基础。在执行期间，在具有国际影响力期刊杂志上发表论文13篇，包括Nat. Commun. 2篇，Nano Lett. 4篇，ACS Nano 1 篇，Nanscale 1篇， Appl. Phys. Lett. 2 篇， Sci. Rep. 3篇。这些工作已经得到国内外同行的关注与认可，受邀在国际大会作邀请报告7次, 国内大会邀请报告6次。