狄拉克材料中超导异质结的输运性质研究

Dirac materials involve graphenelike two-dimensional honeycomb materials, the surfaces of topological insulators, and topological semimetals, etc. The low-energy quasiparticles in these materials are called as Dirac fermions, characterized with chirality and nontrivial topology. In the superconducting heterojunctions, the interplay of Dirac fermions and superconductivity also induces many novel phenomena, such as specular Andreev reflection, Majorana fermions, and fractional Josephson effect. This project is aimed to study theoretically the transport properties of charge and spin in superconducting heterojunctions in three types of Dirac materials, graphenelike materials, the surfaces of topological insulators, and Weyl semimetals. We put emphasis on: (1) the control of the current-phase relation of Josephson current; (2) nonlocal manipulation of the supercurrent; (3) the application of Majorana fermions in superconducting spintronics. According to the theoretical prediction, we also propose and optimize the experimental design to test the results, which lays a foundation for the device application in superconducting electronics, superconducting spintronics, and superconducting quantum computation.

狄拉克材料包括类石墨烯二维蜂窝格子材料、拓扑绝缘体表面、以及拓扑半金属等。这些材料中的低能准粒子称为狄拉克费米子，具有手征性及拓扑非平庸性等奇异性质。将超导电性与狄拉克粒子联立产生了许多新奇的物理现象如镜像安德烈散射、马约拉纳费米子以及分数约瑟夫森效应。本项目将主要从理论上研究类石墨烯系统、拓扑绝缘体表面、以及外尔半金属这三类狄拉克材料超导异质结中电荷及自旋的输运性质，重点关注：（1）约瑟夫森超流的相位关系调控，包括0-pi态转变和反常约瑟夫森效应的实现；（2）研究可能的非 局域超流调控方法及物理机理；（3）探索马约拉纳费米子在超导自旋电子学方面的应用。根据理论预期，我们还将对实验验证的可能性进行理论优化，为发展超导电子学、超导自旋电子学、以及超导量子计算方面的应用器件打下一定的理论基础。

按照研究计划，我们研究了三类狄拉克材料，类石墨烯材料、拓扑绝缘体表面、以及拓扑半金属超导异质结中电荷及自旋的输运性质，重点关注超流的幅度与相位调控以及马约拉纳零能模的产生和输运信号。在这些系统中我们都成功实现了超流的0-pi相变和反常约瑟夫森效应，实现了对超流的幅度以及相位的调控。除此之外，我们还拓展地研究了alpha-T3材料的输运性质、拓扑边缘或界面态之间可调控的遂穿效应、石墨烯Kekule超晶格中的能谷进动和能谷约瑟夫森效应、量子化泵浦的实现方案、节线半金属中马约拉纳鼓膜表面态的产生和输运性质、以及马约拉纳纳米线中旋转磁场引起的量子化泵浦效应。在这些研究中，我们取得了很多有用的重要结果，为发展超导电子学、超导自旋电子学、以及超导量子计算方面的应用器件打下了一定的理论基础。