我院严忠波副教授在拓扑材料的超导性质研究领域取得重要理论进展
实现马约拉纳零模和应用其于拓扑量子计算是近年来凝聚态物理领域的一个重要研究方向。马约拉纳零模可自然地在本征拓扑超导体中实现，如一维p波超导体的两端或者二维手征p波超导体的涡旋之中，然而遗憾的是自然界中缺乏这样的本征拓扑超导体材料。Liang Fu和Charles L. Kane在理论上突破性地指出二维p-波超导可利用拓扑绝缘体的表面态和传统的s波超导等效地实现，从而当利用磁场产生涡旋之后，可在涡旋之中实现马约拉纳零模。Fu和Kane的理论主要是利用了三维拓扑绝缘体的表面态是一个二维的狄拉克锥，任一等能面都具有自旋-动量锁定的特征(见图1(a))。
近年来，具有时间反演对称性的三维狄拉克半金属和外尔半金属是两类受到广泛关注和研究的新兴拓扑材料。这两类材料不管是在体能带上还是在边界态上都非常不同于拓扑绝缘体。在体能带上，这两类材料费米面附近的能带不具有能隙，而是相互接触在布里渊区的某些动量点处。而在边界态上，这两类材料的表面态的等能面是开放的费米弧。不同于拓扑绝缘体的圈形表面态费米面，每一条开放的费米弧上的自旋可以完全极化(见图1(b))。由于这些不同，当这两类拓扑半金属发生超导相变，费米弧和s-波超导的结合并不能像在拓扑绝缘体系统里那样等效地实现二维p-波超导，因而一个很自然的判断是此类材料中的超导涡旋并不会具有马约拉纳零模。然而，这一看似“自然”的判断并不成立。近期，我院严忠波副教授和南方科技大学吴志钢副研究员和黄文副研究员合作研究发现当涡旋线的端点处在具有费米弧的表面时，涡旋线的两端可实现马约拉纳零模。而且，三位研究人员发现对这两类拓扑半金属，伴随涡旋产生的塞曼劈裂效应可非常显着地增大保护马约拉纳零模稳定性的拓扑能隙，而对拓扑绝缘体，塞曼劈裂效应对拓扑能隙的作用则始终是负面的压制。此项工作极大地拓展了实现和研究马约拉纳零模的材料。相关的研究工作于6月22日在线发表于《Physical Review Letters》。
此项工作得到中山大学“百人计划人才项目”启动基金, 国家自然科学基金 (面上项目和青年项目), 广东省重点地区研究开发计划项目支持。
论文链接：/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.257001
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文稿：严忠波
排版：徐菡
初审：徐颖
审核：董建文
审核发布：许东黎
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