拓扑表面自旋态量子散射及超导邻近效应的STM/STS理论模拟研究

In this project, we will systematically carry out theoretical and computational STM/STS studies of the quantum scattering and superconductive proximity effects for the topological surface spin states. We will develop a quantum multiple scattering theory for the magnetic and nonmagnetic impurities on the topological insulator surface, and apply this theory to perform the STS analysis in the spatial, spectrum, and momentum space. Using this theory, we will study step scattering, quantum corral, Fabry-Pérot interference, Klein tunneling, and Kondo resonance on the topological insulator surface. We will simulate the STS spectra of these phenomena, and obtain a series of novel quantum scattering effects brought about by the spin chirality and Dirac nature of the topological surface states. We will study the superconductive proximity of the topological surface spin states. Through STS mimulations, we will clarify the pairing mechanism of the topological surface states in the Bi2Te3/NbSe2 system. We will try to understand the spin-orbital characters and symmetry property of the order parameters in this system. We will carry out theoretical STM/STS studies of magnetic and nonmagnetic scattering in the Bi2Te3/NbSe2 system, and predict its quasiparticle interference and quantum phase transition under impurity scattering. This will pave a way to understand the experimental data on the superconductive proximity effect in this composite structure.

本项目拟在结题的培育项目基础上系统开展拓扑表面自旋态量子散射及超导临近效应的扫描隧道谱理论模拟研究。主要包括：发展拓扑绝缘体表面上磁性及非磁性杂质散射的多重量子散射理论，并有效应用于扫描隧道谱的实空间、谱空间、动量空间分析；在此基础上，研究拓扑绝缘体表面的台阶散射、量子栅栏散射、法布里-珀罗共振散射、克莱因隧穿、近藤共振散射等多种量子散射现象，模拟其扫描隧道谱，获得一系列由于拓扑表面态的自旋手性和狄拉克色散关系导致的量子态散射新效应；研究拓扑表面自旋态的超导临近效应，通过扫描隧道谱模拟阐明Bi2Te3/NbSe2体系中拓扑表面态的超导配对作用机制，理解其配对序参量的自旋-轨道特征与对称性质；研究Bi2Te3/NbSe2体系中磁性及非磁性杂质的量子散射性质，模拟其扫描隧道谱，预测该系统中散射产生的准粒子态干涉、量子相变等量子过程的基本规律，从而为实验研究该类体系中的超导临近效应提供理论基础。

利用扫描隧道谱技术可以对单量子态及态间作用进行精密探测，从而获得量子态的特性和量子过程的基本规律。本项目在2013年12月结题的培育项目基础上，从多个层面系统开展了拓扑表面自旋态量子散射及超导临近效应的扫描隧道谱理论模拟研究。研究计划要点均在项目进行中得到落实，由此产生的后续工作还在继续。本项目中，我们发展了拓扑绝缘体表面上磁性及非磁性杂质散射的多重量子散射理论，并有效应用于扫描隧道谱的实空间、谱空间、动量空间分析；在此基础上，研究拓扑绝缘体表面的台阶散射、法布里-珀罗共振散射等多种量子散射现象，模拟其扫描隧道谱，获得了一系列由于拓扑表面态的自旋手性和狄拉克色散关系导致的量子态散射新效应；深入研究了拓扑表面自旋态的超导临近效应，阐明了BiTe3/NbSe2体系中拓扑表面态的超导配对作用机制；发展了电子能带反折叠方法与技术，并研制了通用的自主知识产权软件Quantum Unfolding，在此基础上，在国际上首次预测铁基超导材料中存在威尔费米子；在国际上首次发现在自旋-轨道耦合的强关联玻色系统中存在对称性保护的量子拓扑相。本项目完成论文18篇，其中14篇已发表，吸引了国际同行的高度关注和引用。本项目执行期间，负责人被评选为“中国工程物理研究院杰出专家”，并入选为国家“创新人才推进计划中青年科技创新领军人才”。