[论文解读] Two-Dimensional Time-Reversal-Invariant Topological Superconductivity in Tin Films

Jing Wang, Yong Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2014

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

本文通过双轨道模型，提出在掺杂的SnX薄膜中实现二维时间反演不变拓扑超导态，表明当层内吸引作用强于层间相互作用时，会形成具有鲁棒边缘马约拉纳模式的拓扑超导相。关键结果是实现了由时间反演对称性和自旋轨道耦合保护的拓扑非平庸超导态，为在可调谐、薄膜体系中实现马约拉纳费米子提供了平台。

ABSTRACT

Time-reversal-invariant topological superconductors have a full paring gap in the bulk and gapless Majorana states at the edge or on the surface. Here, we theoretically propose topological superconductivity in a doped quantum spin Hall insulator. We study the pairing symmetry of doped Sn$X$ film within a two-orbital model, and show that it realizes a topological superconductor when the intraorbital attractive interaction is stronger than the interorbital interaction, which is generic for a doped quantum spin Hall insulator with strong spin-orbit coupling. Edge channels are studied in a tight-binding model numerically. Finally, we discuss the possible topological superconductivity in Sn$X$ film by comparing to $3d$ superconductivity in bulk Sn.

研究动机与目标

• 确定掺杂SnX薄膜在何种条件下表现出拓扑超导性。
• 理解强自旋轨道耦合下双轨道模型中的配对对称性和拓扑相变。
• 研究时间反演对称性保护的无能隙边缘态在掺杂量子自旋霍尔绝缘体中的出现机制。
• 将所提出的SnX薄膜中二维拓扑超导性与金属锡中的体相3d超导性进行比较。
• 建立在薄膜、时间反演不变超导体中实现马约拉纳费米子的理论框架。

提出的方法

• 构建双轨道紧束缚模型以描述掺杂SnX薄膜的电子结构，包含自旋轨道耦合。
• 通过分别引入层内和层间吸引项来建模配对相互作用，从而直接比较其相对强度。
• 利用Nambu格林函数的帕菲安（Pfaffian）计算拓扑不变量，以识别拓扑超导相。
• 对紧束缚哈密顿量进行数值对角化，分析边缘态及其对无序的鲁棒性。
• 绘制作为层内与层间配对强度函数的相图，识别出拓扑相区。
• 将结果与金属锡中的体相3d超导性进行比较，评估该二维平台的可行性与独特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强自旋轨道耦合下，掺杂SnX薄膜在何种条件下会成为时间反演不变的拓扑超导体？
• RQ2 层内与层间配对相互作用的相对强度如何决定拓扑相？
• RQ3 所提出的拓扑超导相中边缘态的性质是什么？
• RQ4 SnX薄膜中的二维拓扑超导性能否与金属锡中的体相3d超导性区分开来？
• RQ5 时间反演对称性在该体系中拓扑超导相的稳定过程中起什么作用？

主要发现

• 当层内吸引作用超过层间相互作用时，系统实现拓扑超导相，这在掺杂的量子自旋霍尔绝缘体中自然成立。
• 该拓扑相的特征是体态具有完全配对能隙，且受时间反演对称性保护的鲁棒无能隙马约拉纳边缘模式。
• 数值模拟证实存在两个自旋-动量锁定方向相反的反向传播马约拉纳边缘通道。
• 拓扑不变量计算确认了非平庸的Z2指数，表明为拓扑非平庸的超导态。
• 所提出的SnX薄膜中二维拓扑超导性与金属锡中的体相3d超导性截然不同，提供了更具可调性和可及性的平台。
• 边缘模式在局域无序下仍保持鲁棒，表明其在容错量子计算应用中具有潜力。