[论文解读] Topological superconductor from the quantum anomalous Hall state in single layer graphene

L. Wang, M. W. Wu|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

该论文通过将s波超导体与由Rashba自旋轨道耦合和交换场诱导的量子反常霍尔（QAH）态在单层石墨烯中邻近耦合，提出了一种二维拓扑超导体（TSC）。在狄拉克点附近近零掺杂条件下，该系统实现了陈数为四的拓扑序，支持四种稳定的马约拉纳边界态，并表现出显著大于邻近诱导超导隙的拓扑体能隙——为马约拉纳费米子提供了一个稳定平台。

ABSTRACT

We show that a two-dimensional topological superconductor (TSC) can be realized in a hybrid system with a conventional $s$-wave superconductor proximity-coupled to a quantum anomalous Hall (QAH) state from the Rashba and exchange effects in single layer graphene. With very low or even zero doping near the Dirac points, i.e., two inequivalent valleys, this TSC has a Chern number as large as four, which supports four Majorana edge modes. More importantly, we show that this TSC has a robust topologically nontrivial bulk excitation gap, which can be larger or even one order of magnitude larger than the proximity-induced superconducting gap. This unique property paves a way for the application of QAH insulators as seed materials to realize robust TSCs and Majorana modes.

研究动机与目标

• 在基于单层石墨烯的异质结体系中实现二维拓扑超导体（TSC）。
• 利用由Rashba自旋轨道耦合和交换场诱导的量子反常霍尔（QAH）态作为实现拓扑超导性的种子。
• 在TSC中实现远大于邻近诱导超导隙的大型拓扑体激发能隙。
• 通过高陈数（最高达四）实现多个马约拉纳边界态。

提出的方法

• 利用常规s波超导体与具有设计Rashba自旋轨道耦合及交换场的单层石墨烯体系之间的近邻耦合。
• 设计系统使其在石墨烯两个非等价谷的狄拉克点附近实现极低或零掺杂。
• 计算混合体系的有效哈密顿量，以确定拓扑不变量和激发谱。
• 通过计算所得超导态的陈数来量化其拓扑特性。
• 分析体激发能隙，并与邻近诱导的超导隙进行比较，以评估拓扑鲁棒性。
• 通过陈数和边界态分析，识别边界态的存在及其数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过s波超导体与单层石墨烯的近邻耦合实现二维拓扑超导体？
• RQ2 在狄拉克点附近低掺杂条件下，该系统可实现的最大陈数是多少？
• RQ3 在此构型下，拓扑体激发能隙与邻近诱导超导隙相比如何？
• RQ4 由于高陈数，该系统能否支持多个稳定的马约拉纳边界态？
• RQ5 由于体能隙远大于超导隙，该拓扑相是否对微扰具有鲁棒性？

主要发现

• 通过s波超导体与单层石墨烯的近邻耦合，在单层石墨烯中实现了陈数高达四的二维拓扑超导体。
• 由于高陈数，该系统支持四种马约拉纳边界态，表明其具有强拓扑序。
• 拓扑体激发能隙显著大于邻近诱导的超导隙——可能大一个数量级。
• 大的体能隙确保了拓扑鲁棒性，使系统对局域微扰具有强抵抗力。
• 即使在狄拉克点附近极低或零掺杂条件下，TSC相依然稳定，保持了拓扑保护。
• 量子反常霍尔态作为有效种子，在石墨烯中实现了稳定拓扑超导体。