【摘要】：近年來,拓撲絕緣體材料引起了人們的廣泛關注,成為凝聚態(tài)物理研究的重要熱點和前沿之一。它是一種有別于傳統(tǒng)金屬和絕緣體的物質,其表面沒有能隙,是能夠導電的金屬態(tài)體系,然而內部表現為絕緣,具有奇異的量子特性。此外,當拓撲絕緣體與超導體或鐵磁絕緣體接觸時,時間反演對稱性被破壞,由于鄰近效應,邊界或表面態(tài)呈現奇特的量子輸運特性,對自旋電子學和量子信息等領域有著巨大的潛在應用價值。本文利用基于Bogoliubov-deGennes(BdG)方程的Blonder-Tinkham-Klapwijk(BTK)理論方法,通過理論解析推導和數值計算,研究了基于拓撲絕緣體的由鐵磁絕緣體和非傳統(tǒng)的超導體所構成的拓撲約瑟夫森(Josephson)結的超流性質。第一,在不考慮拓撲絕緣體兩表面耦合的情形下,我們研究了基于三維拓撲絕緣體(TI)的s-波超導體/鐵磁絕緣體/正常TI/鐵磁絕緣體/dd-波超導體(s-SC/FI1N/FI2/d-SC)約瑟夫森結超導電流特點,其中d-波超導體具體為dxy-波或dx2-y2-波超導體。固定鐵磁區(qū)域F1的方向沿x軸、F2的磁交換場方向在x-z平面或x-y平面內以及兩者大小相等,結果發(fā)現,能夠發(fā)生奇異的約瑟夫森效應,并且奇異的約瑟夫森超流隨磁交換場方向間的夾角發(fā)生大小和方向的變化,從而實現“相位蓄電池”等功能。特別地,在s-SC/FI1/N/FI2/dx2-y2-SC結構中,還能夠發(fā)生“超流整流效應”和超流-相位關系的“兩量子化平臺”現象。不僅如此,在兩鐵磁區(qū)域的磁交換場方向均固定于x軸方向時,相位蓄電池在一定的磁交換場大小的范圍內所儲存的相位幾乎不變,實現磁控制超流兩量子化平臺現象。除此之外,改變鐵磁區(qū)域的長度不僅對奇異的約瑟夫森效應大小有著重要的影響,還能實現0-π結轉變。第二,同樣,在不考慮拓撲絕緣體兩表面耦合的情形下,我們探討了不同磁構型下三種基于三維拓撲絕緣體的d-波超導體/鐵磁絕緣體/正常TI/鐵磁絕緣體/d-波超導體(d-SC/FI1/N/FI2/d-SC)約瑟夫森結的超流特點,其中d-波超導體具體為dxy-波或dx2-y2-波超導體。固定鐵磁區(qū)域F1的方向沿x軸或y軸、F2的方向分別在x-y等三個平面內以及兩者大小相等。結果發(fā)現,除了dx-波對稱超導結在磁交換方向夾角在y-z平面內變化時,還是遵循常規(guī)的約瑟夫森效應外,三種結構中也都會發(fā)生奇異的約瑟夫森效應,并且隨著兩磁交換場方向在x-y等平面的夾角都發(fā)生了變化,從而實現對奇異的約瑟夫森電流的調控。此外,在F2沿x軸或y軸的分量與F1大小相等且固定不變的情形下,改變F2沿另一根軸分量的大小,同樣會發(fā)生奇異的約瑟夫森效應。
【學位授予單位】：南京師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O469
【圖文】：

）表示三維拓撲絕緣體的狄拉克表面態(tài)的示意圖，圖中箭維拓撲絕緣體與二維拓撲絕緣子體在本質上沒有度控制在幾納米的極限時，這種量子薄膜可能是二維拓撲絕緣體的厚度疊加成三維系統(tǒng)時，這樣的

Ｋｌａｕｓ邋ｖｏｎ邋Ｋｌｉｔｚｉｎｇ研究結果中發(fā)現，在低溫、強磁場環(huán)境下半導體逡逑與異質交界面處的二維導電層，又稱二維電子氣（Ｔｗｏ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｇａｓ）逡逑具有特殊的電子輸運特性，其在強磁場中的霍爾電阻與磁場的線性關系將引起偏逡逑差，不再是線性的，而是呈現出一種階梯狀，即“量子化”，并且每個階梯平臺逡逑所對應的電阻值準確滿足ｈ／ｗ２，縱向電阻降到零，其中Ａ為普朗克常數，ｅ為逡逑電子電量，ｖ為一個整數。這些現象很清楚地表明這是一種量子效應，后來就被逡逑稱為量子霍爾效應。逡逑物理學家發(fā)現量子霍爾系統(tǒng)樣品邊緣的ｖ個導電通道對量子霍爾系統(tǒng)有貢逡逑獻，被稱為邊緣態(tài)。圖（２．３ａ）展示了量子霍爾效應的邊緣態(tài)，其特點是手性的逡逑

爾（Ｅｄｗｉｎ邋Ｈａｌｌ）于１８７９年發(fā)現的，是自然界中最基本的電磁現象之一。將一個通逡逑電的導體放置在磁場中，電荷沿磁場的垂直方向運動產生電流。在外部磁場中，逡逑當電荷移動時，它受磁場的洛倫茲力的影響，這是載流子運動的偏移，如圖２．２逡逑所示。實驗結果產生了一個垂直于電流和磁場方向的橫向電位差。在這種現象中逡逑定義了霍爾電阻，其值與磁場呈線性關系。逡逑圖２．２霍爾效應現象逡逑１９８０年，Ｋｌａｕｓ邋ｖｏｎ邋Ｋｌｉｔｚｉｎｇ研究結果中發(fā)現，在低溫、強磁場環(huán)境下半導體逡逑與異質交界面處的二維導電層，又稱二維電子氣（Ｔｗｏ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋Ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｇａｓ）逡逑具有特殊的電子輸運特性，其在強磁場中的霍爾電阻與磁場的線性關系將引起偏逡逑差，不再是線性的，而是呈現出一種階梯狀，即“量子化”，并且每個階梯平臺逡逑所對應的電阻值準確滿足ｈ／ｗ２，縱向電阻降到零，其中Ａ為普朗克常數，ｅ為逡逑電子電量，ｖ為一個整數。這些現象很清楚地表明這是一種量子效應，后來就被逡逑稱為量子霍爾效應。逡逑物理學家發(fā)現量子霍爾系統(tǒng)樣品邊緣的ｖ個導電通道對量子霍爾系統(tǒng)有貢逡逑獻

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