外场调控下类碳单层材料的Josephson效应研究

Graphene-like materials, such as silicene, germanene, and stanene, have attracted much attention due to their novel properties and broad application prospect. Although the research of Josephson effect in graphene-like materials has obtained some interesting results, the scope, the depth, and the applied value of research content need to be explored further. By adjusting external fields such as strain, polarized light, electric and magnetic fields, this project aims to study the Josephson effect in graphene-like materials which are on the substrate with strong spin-orbit coupling, ferromagnetism, and antiferromagnetism, and then try to discuss the design of topological quantum and superconducting devices with high-performance. The main research content contain three aspects: studying the valley-dependent 0-π transition, φ0 and φ junctions; investigating the topology-protected 0-π transition, φ0 and φ junctions; discussing the realization of topological superconductor and the manipulation of Majorana zero-energy mode, and then analyzing the effect of Majorana zero-energy mode on Josephson current. The expected research results will enrich the research content of graphene-like materials and promote the research and development on graphene-like materials-based topological quantum and superconducting devices with high-performance.

由硅、锗和锡等单质构成的类碳单层材料因为其低维度性和翘曲结构所带来的奇异物理性质和巨大的应用前景而备受人们关注。虽然基于这些类碳单层材料的Josephson效应研究已经取得一些成果，但其研究内容的广度、深度和应用价值有待于进一步探究。有鉴于此，本项目以具有强自旋轨道耦合、铁磁性和反铁磁性等材料为衬底，通过应变场、偏振光、电场和磁场等外场调控来研究类碳单层材料的Josephson效应，探索高性能拓扑量子器件和超导器件的设计。研究内容主要包括三个方面：研究谷依赖的0-π转变、φ0 结和φ结；继续研究受拓扑保护的0-π转变、φ0 结和φ结；进一步探讨拓扑超导体的实现和Majorana零能模的调控，并分析Majorana零能模对Josephson流的影响。可以预期本项目的研究成果对于丰富类碳单层材料超导和拓扑输运性质的研究内涵，推动类碳单层材料在高性能拓扑量子器件和超导器件上的应用具有重要意义。

二维材料是实现新型量子器件一类重要材料。本项目研究了在石墨烯、硼烷、8-pmmn 硼烯和\alpha-T3 格子的谷极化、Klein 隧穿、Andreev 反射和 Josephson 效应。在基于 SiC 基底上石墨烯 p-n 上，通过非共振圆极化光的调制，可以导致在不同谷附近的能隙不一样，如此这般就可以实现谷极化。 在基于硼烷的 p-n 上可以实现无外场调控的自发的谷极化。在基于 8-pmmn 硼烯 n-p-n 结上发现了倾斜的入射角可以导致 Klein 隧穿，区别于传统的正入射角的 Klein 隧穿。这 是 8-pmmn 硼烯各向异性的能带结构决定的。可是 8-pmmn 硼烯 n-p-n 结上这种反常 Klein 隧穿是自发的，不能调控，且 8-pmmn 硼烯制备在实验上比较困难。由此在基于石墨烯的 n-p-n 结上，通过非共振线性极化光的调制，可以实现石墨烯能带结构的各向异性，进而实现反常 Klein 隧穿。在基于 8-pmmn-硼烯超导结上实现带间电子-空穴转换导致的 Andreev 回射和带内电子-空穴转换导致的镜面 Andreev 反射。这种反常的 Andreev 反射同样源自于 8-pmmn 硼烯各向异性的能带结构。在基于\alpha-T3 格子的超导结上发现 super-Andreev 反射，即全角度的 Andreev 反射。在基于石墨烯的 Josephson 结上发现反铁磁型 0-\pi 转变。这是源自于 SiC 基底诱导的能隙与反铁磁能诱导的能隙之间的竞争导致 的。此外，在基于\alpha-T3 格子的 Josephson 结上发现 Josephson 超流随 \alpha 值增大而增大。这些结果为新型量子器件的研制提供理论的支撑。