拓扑d-波超导约瑟夫森结

论文摘要

近年来,拓扑绝缘体材料引起了人们的广泛关注,成为凝聚态物理研究的重要热点和前沿之一。它是一种有别于传统金属和绝缘体的物质,其表面没有能隙,是能够导电的金属态体系,然而内部表现为绝缘,具有奇异的量子特性。此外,当拓扑绝缘体与超导体或铁磁绝缘体接触时,时间反演对称性被破坏,由于邻近效应,边界或表面态呈现奇特的量子输运特性,对自旋电子学和量子信息等领域有着巨大的潜在应用价值。本文利用基于Bogoliubov-deGennes（BdG）方程的Blonder-Tinkham-Klapwijk（BTK）理论方法,通过理论解析推导和数值计算,研究了基于拓扑绝缘体的由铁磁绝缘体和非传统的超导体所构成的拓扑约瑟夫森（Josephson）结的超流性质。第一,在不考虑拓扑绝缘体两表面耦合的情形下,我们研究了基于三维拓扑绝缘体（TI）的s-波超导体/铁磁绝缘体/正常TI/铁磁绝缘体/dd-波超导体（s-SC/FI1N/FI2/d-SC）约瑟夫森结超导电流特点,其中d-波超导体具体为dxy-波或dx2-y2-波超导体。固定铁磁区域F1的方向沿x轴、F2的磁交换场方向在x-z平面或x-y平面内以及两者大小相等,结果发现,能够发生奇异的约瑟夫森效应,并且奇异的约瑟夫森超流随磁交换场方向间的夹角发生大小和方向的变化,从而实现“相位蓄电池”等功能。特别地,在s-SC/FI1/N/FI2/dx2-y2-SC结构中,还能够发生“超流整流效应”和超流-相位关系的“两量子化平台”现象。不仅如此,在两铁磁区域的磁交换场方向均固定于x轴方向时,相位蓄电池在一定的磁交换场大小的范围内所储存的相位几乎不变,实现磁控制超流两量子化平台现象。除此之外,改变铁磁区域的长度不仅对奇异的约瑟夫森效应大小有着重要的影响,还能实现0-π结转变。第二,同样,在不考虑拓扑绝缘体两表面耦合的情形下,我们探讨了不同磁构型下三种基于三维拓扑绝缘体的d-波超导体/铁磁绝缘体/正常TI/铁磁绝缘体/d-波超导体（d-SC/FI1/N/FI2/d-SC）约瑟夫森结的超流特点,其中d-波超导体具体为dxy-波或dx2-y2-波超导体。固定铁磁区域F1的方向沿x轴或y轴、F2的方向分别在x-y等三个平面内以及两者大小相等。结果发现,除了dx-波对称超导结在磁交换方向夹角在y-z平面内变化时,还是遵循常规的约瑟夫森效应外,三种结构中也都会发生奇异的约瑟夫森效应,并且随着两磁交换场方向在x-y等平面的夹角都发生了变化,从而实现对奇异的约瑟夫森电流的调控。此外,在F2沿x轴或y轴的分量与F1大小相等且固定不变的情形下,改变F2沿另一根轴分量的大小,同样会发生奇异的约瑟夫森效应。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周麟轶

导师: 陶永春

关键词: 拓扑绝缘体,约瑟夫森结,量子化平台,相位蓄电池,超流整流器

来源: 南京师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 南京师范大学

分类号: O469

DOI: 10.27245/d.cnki.gnjsu.2019.000142

总页数: 60

文件大小: 4534K

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