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西安交大科研人员在高阶拓扑超导体领域取得新进展

拓扑超导体是指具有拓扑非平庸性质的一类超导体,与传统超导体的区别在于前者的边界束缚有能量为零的准粒子激发。这种受拓扑保护的准粒子与高能物理领域中人们苦苦寻求的Majorana费米子(反粒子为其自身的费米子)具有类似的特征,因而在此被称为Majorana零模。Majorana零模的非阿贝尔交换统计特性,使其可以作为受拓扑保护的量子计算的基本组成单元,而人们对拓扑超导体的兴趣很大一部分也集中于此。

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高阶拓扑超导体是在拓扑超导体的基础上延伸而来,主要特征是Majorana零模束缚在体系不同边界的交汇处,比如正方体系统的顶点,或者立方体的棱上等等。不同于传统的拓扑超导体(也称为一阶拓扑超导体),在这类高阶拓扑超导体中,拓扑性质不仅仅体现在块体中,还反映在边界上。一般来说,Majorana零模往往是出现在拓扑性质不等价的体系或者区域的交汇处。

近日,西安交大理学院新讲师朱小宇,提出了一个可以实现高阶拓扑超导体的理论模型。该模型以具有Rashba自旋轨道耦合的二维半导体模型为基础,引入一种破坏时间反演对称性的混合型超导配对(mixed pairing)。在一个正方体形状的系统中,Majorana零模可以出现在四个顶点处【图(a)、(b)中红色椭圆所示】,反映了相邻边界在拓扑上是不等价的。针对这一简单的模型,文章最后给出了一个判断其是否处于高阶拓扑超导相的条件。这一条件反映出系统的拓扑性质与费米面和超导配对势的节点位置有着密切的联系。

该论文以“Second-Order Topological Superconductors with Mixed Pairing”为题在《物理评论快报》【Physical Review Letters 122, 236401 (2019)】上在线发表。相关研究得到了国家自然科学基金的资助。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.236401