在混合超導(dǎo)的拓?fù)浣^緣體設(shè)備的非常規(guī)約瑟夫森效應(yīng)
圖1
原理圖實(shí)驗(yàn)幾何威廉斯等。超導(dǎo)（SC）之間的Josephson效應(yīng)導(dǎo)致進(jìn)行三維拓?fù)浣^緣體（TI）的表面狀態(tài)的接近效應(yīng)超導(dǎo)（藍(lán)色區(qū)域）。紅色的線是所施加的磁場(chǎng)的磁力線，為簡(jiǎn)單起見，省略了通過超導(dǎo)導(dǎo)線的磁場(chǎng)。在某些條件下，一個(gè)綁定馬約拉納激發(fā)在近程作用區(qū)域可以導(dǎo)致一個(gè)不尋常的電流的相位關(guān)系是表現(xiàn)在臨界電流對(duì)磁場(chǎng)的依賴。
可能會(huì)導(dǎo)致顯著的新的物理相結(jié)合的對(duì)稱性破缺效應(yīng)，如發(fā)生在磁鐵和超導(dǎo)體具有拓?fù)錇榱恕?/font>最近的理論研究表明，在某些超導(dǎo)體，充滿異國(guó)情調(diào)的準(zhǔn)粒子激發(fā)出現(xiàn)，其行為如的馬約拉納費(fèi)米子的，這是他們自己的反粒子的電中性的準(zhǔn)粒子。在“物理評(píng)論快報(bào)”上，吉米·威廉斯在加利福尼亞州的斯坦福大學(xué)，和他的同事[ 1 ]結(jié)合了超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)，這是一個(gè)深刻的對(duì)稱性破缺的結(jié)果，與混合動(dòng)力超導(dǎo)體的拓?fù)浣^緣體結(jié)構(gòu)的拓?fù)漤樞颉?/font>作者調(diào)查的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出非常規(guī)的行為，可能與馬約拉納國(guó)家的出現(xiàn)。
以一種約瑟夫遜結(jié)，由分隔的兩個(gè)超導(dǎo)體由一個(gè)薄的非超導(dǎo)勢(shì)壘，對(duì)稱破缺的查詢結(jié)果中的超導(dǎo)電流，即，dissipationless的電流，這取決于上的相位差（
第一個(gè)例子的拓?fù)漤樞?，量子霍爾效?yīng)，發(fā)現(xiàn)在二維電子系統(tǒng)，從理論上理解在20世紀(jì)80年代初。在近幾年的工作表明，拓?fù)漤樞蚴潜纫郧案Ｒ姷膽岩?，并?shí)現(xiàn)了一類稱為拓?fù)浣^緣體材料。這些都是三維樂隊(duì)絕緣體在自旋-軌道耦合導(dǎo)致金屬表面狀態(tài)，在每一個(gè)表面[ 2 ]。
威廉姆斯等人。報(bào)告約瑟夫森結(jié)不尋常的行為，由沉積在上面的拓?fù)浣^緣體硒化鉍（圖1）的超導(dǎo)鋁，的鋁覆蓋地區(qū)之間留下一個(gè)小缺口。作者應(yīng)用一個(gè)外部磁場(chǎng)和分析
可以理解的磁場(chǎng)的效果，通過一個(gè)簡(jiǎn)單的光學(xué)類比。當(dāng)電子移動(dòng)穿過約瑟夫遜結(jié)，它拿起兩個(gè)超導(dǎo)體的相位差，如果具有不同的相。但電子也拿起從磁場(chǎng)的相位（更準(zhǔn)確地說，從
威廉姆斯等人的數(shù)據(jù)。最突出的特點(diǎn)是顯著不同的領(lǐng)域從傳統(tǒng)的夫瑯和費(fèi)模式，依賴的臨界電流。第一極小發(fā)生在較小的字段比預(yù)計(jì)從幾何區(qū)域的交界處，這可以解釋，如果交界處的有效面積是小于估計(jì)數(shù)，或者如果交界區(qū)域中的磁場(chǎng)，通過增加“磁通聚焦”通過超導(dǎo)體邁斯納排斥的領(lǐng)域。（使用石墨，而不是一個(gè)拓?fù)浣^緣體的控制實(shí)驗(yàn)表明，助焊劑重點(diǎn)是不解釋。）什么是更令人費(fèi)解的是，從德國(guó)弗勞恩霍夫模式，曲線的形狀也有很大不同。作者認(rèn)為，數(shù)據(jù)表明偏離傳統(tǒng)的電流相位關(guān)系[EQ。（1）]，可能是一個(gè)跡象不尋常的物理相關(guān)的緊急馬約拉納費(fèi)米子。
為了討論，這個(gè)實(shí)驗(yàn)揭示了顯著的物理，我們需要回顧有關(guān)物業(yè)的拓?fù)浣^緣體。它們的表面狀態(tài)是在一個(gè)更高的層面進(jìn)行邊緣狀態(tài)的量子霍爾和量子自旋霍爾效應(yīng)的模擬。石墨一樣，拓?fù)浣^緣體表面態(tài)電子的有效質(zhì)量為零。與石墨烯，拓?fù)浣^緣體表面狀態(tài)有一個(gè)奇怪的狄拉克點(diǎn)的費(fèi)米面崩潰，當(dāng)連接到超導(dǎo)體的表面狀態(tài)，這種差異具有深遠(yuǎn)的影響。
包括傳統(tǒng)的的超導(dǎo)金屬和銅氧化物超導(dǎo)體，將已經(jīng)綁定的電子水平在一個(gè)渦流磁。以前的理論工作已表明，在某些外來超導(dǎo)體的渦流可能具有一個(gè)綁定馬約拉納水平，這可以被理解為一個(gè)普通的結(jié)合水平的一半。這樣的國(guó)家馬約拉納費(fèi)米子的固態(tài)準(zhǔn)粒子實(shí)現(xiàn)的，而最近試圖深入研究工作提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)（見2010年3月15日觀點(diǎn)）[ 3 ]。有人指出，由傅和凱恩[ 4 ]，由佐藤的建議后，在不同的上下文中[ 5 ]，該接口在傳統(tǒng)超導(dǎo)體和拓?fù)浣^緣體支持等馬約拉納水平磁旋渦，而且馬約拉納水平之間可能會(huì)導(dǎo)致Josephson效應(yīng)的變形。簡(jiǎn)要地說，標(biāo)準(zhǔn)的電流相位的關(guān)系[式 （1）]被修改馬約拉納準(zhǔn)粒子的存在的一個(gè)后果是，所觀察到的在一個(gè)結(jié)點(diǎn)的電流的磁通周期性可以加倍。
在威廉姆斯等人的實(shí)驗(yàn)中，臨界電流對(duì)磁場(chǎng)的依賴有效地執(zhí)行一個(gè)集成在電流相位的關(guān)系，因?yàn)椴煌穆窂骄哂胁煌南辔粡脑擃I(lǐng)域的貢獻(xiàn)。筆者認(rèn)為可能的電流的相位關(guān)系，并比較所產(chǎn)生的場(chǎng)依存性的實(shí)驗(yàn)觀察。得到最好的配合，包括特殊的數(shù)據(jù)中的第一凹口，從電流相位關(guān)系由式基本上是不同的。（1）。
數(shù)據(jù)顯示幾個(gè)非常規(guī)的功能，包括上結(jié)的大小和正常態(tài)電阻的臨界電流異常的依賴關(guān)系。非夫瑯和費(fèi)的臨界電流曲線形狀可以不均勻電流注入，這可能導(dǎo)致從拓?fù)浣^緣體行為：進(jìn)行拓?fù)浣^緣體屏障，如果兩側(cè)的電流大致相同的頂表面以及所造成的，這將導(dǎo)致疊加單縫和雙縫干涉圖案，看起來類似的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[ 6 ]。雖然這解釋取決于上的的拓?fù)浣^緣體阻擋層具有一表面狀態(tài)，它不要求任何修改的電流的相位關(guān)系，但多個(gè)不尋常的特征的威廉姆斯等人的實(shí)驗(yàn)表明，可能需要更非常規(guī)的解釋。為了解釋觀測(cè)到的影響，作者提出了一種唯象模型的基礎(chǔ)上馬約拉納模式的出現(xiàn)，在超導(dǎo)的拓?fù)浣^緣體界面。
[ 7 ] 有幾組，特別是那些在普渡大學(xué)，代爾夫特[ 8 ]，而魏茲曼[ 9 ]的工作表明，可以使用超導(dǎo)體馬約拉納費(fèi)米子。在這些實(shí)驗(yàn)中，超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的一個(gè)普通的半導(dǎo)體結(jié)合，和功能被觀察到的原因可能是由一個(gè)馬約拉納約束水平，根據(jù)理論模型。其他研究小組正在探索類似物理學(xué)中的某些階段，超流氦-3。無論航線原來是在未來更加豐碩的成果，這是令人興奮地看到，其中一個(gè)最顯著的超導(dǎo)理論的預(yù)測(cè)，即一個(gè)的無自旋電子或兩個(gè)級(jí)別的系統(tǒng)可以“級(jí)分”成兩個(gè)馬約拉納準(zhǔn)粒子，似乎是更接近實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)。
參考文獻(xiàn)
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- 作者感謝火盛 辛和J. Bardarson的對(duì)話，對(duì)于這一點(diǎn)。
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作者簡(jiǎn)介：喬爾·E.摩爾
喬爾·摩爾接受了他的AB從普林斯頓大學(xué)和博士 來自麻省理工學(xué)院的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的理論工作。大學(xué)，加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在2002年之前，他是一個(gè)研究生的Kavli研究所研究員，理論物理和貝爾實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員。他目前的研究興趣是集體的電子和原子的量子物理學(xué)，包括最近發(fā)現(xiàn)的“拓?fù)浣^緣體”，并在應(yīng)用到凝聚態(tài)物理，量子信息概念。
