[论文解读] Majorana Kramers pairs in a high-temperature platform

Zhongbo Yan, Fei Song+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2018

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本文提出通过将二维拓扑绝缘体与高温超导体（铜氧化物或铁基超导体）耦合，构建高温Majorana Kramers对平台。由高温超导体的d波对称性驱动，样品拐角处近邻诱导的配对作用发生符号反转，从而在每个拐角处形成受时间反演对称性保护的拓扑保护Majorana零能模，为基于拓扑 trivial 超导体实现Majorana费米子提供了一条新路径。

ABSTRACT

We introduce two-dimensional topological insulators in proximity to high-temperature cuprate or iron-based superconductors as possible high-temperature platforms of Majorana Kramers pairs. The proximity-induced pairing at the helical edge states of TI serves as a Dirac mass, whose sign changes at the sample corner due to the pairing symmetry of high-$T_c$ superconductors. This intrinsic sign changing naturally creates at each corner a pair of Majorana zero modes protected by time-reversal symmetry. Conceptually, this is a topologically-trivial-superconductor-based approach for Majorana zero modes. We provide quantitative criteria and suggest candidate materials for this proposal.

研究动机与目标

• 识别一种高温平台以实现Majorana零能模，克服传统平台对低温环境的依赖。
• 解决在不依赖奇异材料或复杂异质结构的条件下实现拓扑超导性的挑战。
• 提出一种机制，即时间反演对称性保护基于拓扑 trivial 超导体的Majorana Kramers对。
• 提供定量标准并建议可行的候选材料以实现实验观测。

提出的方法

• 建立二维拓扑绝缘体与具有d波配对对称性的高温超导体近邻耦合的模型，研究其螺旋边缘态。
• 分析近邻诱导的配对势，其在边缘态上表现为狄拉克质量项。
• 识别出由于高温超导体的d波对称性，诱导配对的符号在样品拐角处发生反转。
• 利用时间反演对称性保护每个拐角处形成的Majorana零能模。
• 基于超导配对对称性和界面耦合，推导出Majorana Kramers对形成所需的定量条件。
• 建议如铋基拓扑绝缘体与铁基或铜氧化物超导体界面结合的候选材料。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在使用常规高温超导体的高温平台上实现Majorana Kramers对？
• RQ2 高温超导体的d波配对对称性如何导致样品拐角处诱导配对的符号反转？
• RQ3 时间反演对称性在此设置中在保护Majorana零能模方面发挥何种作用？
• RQ4 拓扑 trivial 超导体能否通过对称性保护的边界态实现稳定的Majorana零能模？
• RQ5 此类系统中Majorana Kramers对形成的定量条件是什么？

主要发现

• 高温超导体的d波对称性导致拓扑绝缘体螺旋边缘态上的近邻诱导配对势表现为狄拉克质量，其符号在样品拐角处发生反转。
• 这种内在的符号反转导致每个拐角处形成一对受时间反演对称性保护的Majorana零能模。
• 该机制依赖于拓扑 trivial 超导体，相比拓扑超导体，为实现Majorana费米子提供了更简单的路径。
• 本文提供了稳定Majorana模所需的配对势失配和界面透射率的定量标准。
• 识别出如Bi2Se3基拓扑绝缘体与铁基或铜氧化物超导体耦合的候选材料，作为有前景的平台。
• 该方法使在远高于传统拓扑超导体平台的温度下观测Majorana Kramers对成为可能。