[论文解读] Platform of chiral Majorana edge modes and its quantum transport phenomena

James Jun He, Tian Liang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 72被引用 31

一句话总结

该论文提出一种新颖的FM/TI/SC异质结构平台，用于在二维拓扑超导体中实现稳健的手性马约拉纳边缘态，其中一锗层通过近邻效应实现超导，另一锗层则受到铁磁体的交换场作用。与以往需要小磁化强度的系统不同，该平台在实验可实现的参数范围内支持单个手性马约拉纳模式，且所提出的约瑟夫森结装置可通过临界电流处电导率跃迁至1/3提供确凿的实验证据。

ABSTRACT

We propose a method to create two-dimensional topological superconductors with a heterostructure of ferromagnet (FM), topological insulator (TI) thin film and superconductor, in which the two surfaces of the TI thin film are treated as a two-dimensional system. One of surfaces is superconducting due to proximity effect and the other feels an exchange field from the FM. We show that there is a topological phase with single chiral Majorana edge mode that exists in readily achievable parameter regions and does not require magnetization to be small. An experimental setup is proposed based on our model to uniquely determine the existence of Majorana chiral modes using a Josephson junction. Also, we show that multiple chiral Majorana edge modes may appear when unconventional superconductors are used.

研究动机与目标

• 克服先前二维拓扑超导体中必须满足小磁化强度（Mz < Δ）才能实现手性马约拉纳边缘态的限制。
• 开发一种基于铁磁体/拓扑绝缘体/超导体异质结构的可行实验平台，以实现拓扑超导性。
• 提出一种基于约瑟夫森结的装置，提供手性马约拉纳边缘态的唯一且明确的特征信号。
• 探索当使用非常规超导体（如d波）时，多个手性马约拉纳边缘态的出现机制。
• 建立系统的拓扑相图，识别具有非零陈数的区域，以表明手性马约拉纳边缘态的存在。

提出的方法

• 该系统被建模为双表面拓扑绝缘体薄膜：一个表面通过近邻效应耦合到超导体（SC），另一个表面受到来自铁磁体（FM）的垂直方向交换场作用，形成FM/TI/SC异质结构。
• 在Nambu表象中推导出有效哈密顿量，包含自旋、层和粒子- hole自由度，项包括狄拉克表面态、交换场（Mz）、超导配对（∆s和d(k)）、混合跃迁（tc）和化学势（µ）。
• 通过贝里曲率和陈数（Nc = γ/2π）计算拓扑不变量，以识别具有手性马约拉纳边缘态的拓扑相。
• 通过在参数空间（Mz, µ, tc, δE）中计算总贝里曲率，生成数值相图，识别具有非零陈数的能隙区域。
• 提出一种约瑟夫森结装置，连接两个QAHI-TSC结，以探测手性马约拉纳边缘态的电导特征。
• 将非常规超导配对（如d波）引入模型，以研究多个手性马约拉纳边缘态的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在FM/TI/SC异质结构中，哪些参数区域可在不满足Mz < Δ的条件下支持具有单个手性马约拉纳边缘态的拓扑相？
• RQ2 如何设计约瑟夫森结以提供手性马约拉纳边缘态的唯一且明确的特征信号？
• RQ3 当在此平台上使用非常规超导体（如d波）时，是否可出现多个手性马约拉纳边缘态？
• RQ4 层间混合跃迁（tc）和能量偏移（δE）在稳定或抑制拓扑相中起什么作用？
• RQ5 系统的拓扑不变量（陈数）如何随化学势（µ）和交换场（Mz）演化？费米面数量的奇偶效应的起源是什么？

主要发现

• 该系统在宽广且实验可实现的参数区域内表现出具有单个手性马约拉纳边缘态的拓扑相，即使在|Mz| > Δ时也成立，从而克服了先前平台中必须满足Mz < Δ的限制。
• 提出一种约瑟夫森结装置，其电导率σ12在临界电流处从1/2降至1/3，为手性马约拉纳边缘态提供了确凿的实验证据。
• 当|µ| < |Mz|时，陈数Nc = sign(Mz)，确认存在单个手性马约拉纳边缘态，而当|µ| > |Mz|时系统变为平凡态。
• 层间混合跃迁（tc）与交换场之间产生竞争，导致拓扑相随µ的变化呈非单调行为，在大|µ|时出现再入的平凡相。
• 非常规超导配对（特别是具有d波成分时）可导致四个手性马约拉纳边缘态，表明发生了显著的拓扑相变。
• 相图显示，拓扑相对中等程度的δE和tc具有鲁棒性，且系统的拓扑性由粒子- hole对称性（D类）保护，从而保证了陈数的明确定义。