【摘要】：拓?fù)涫顷P(guān)于系統(tǒng)不變性的研究,這個(gè)系統(tǒng)最開始是數(shù)學(xué)上的,后來被逐漸引入到了物理中,用來區(qū)分沒有對(duì)稱性破缺發(fā)生,卻具有不同形態(tài)的物理系統(tǒng)。同時(shí),人們逐漸意識(shí)到物理系統(tǒng)中波函數(shù)本身的重要性,所以在研究系統(tǒng)能譜的同時(shí),也去研究由布里淵區(qū)為底流型,電子波函數(shù)為纖維的纖維叢的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有不同的拓?fù)洳蛔兞?不同拓?fù)洳蛔兞拷o出不同的物理性質(zhì)。具有時(shí)間反演對(duì)稱性的絕緣體可以被其Z2拓?fù)洳蛔兞糠诸?Z2=0為普通絕緣體,Z2=1為拓?fù)浣^緣體。Z2=1的拓?fù)浣^緣體的體態(tài)能帶反轉(zhuǎn)同時(shí)具有有限能隙,而只要時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)布里淵區(qū)中的Krammers對(duì),那么表面態(tài)就存在。近年來在實(shí)驗(yàn)上取得比較大進(jìn)展的三維拓?fù)浣^緣體是Bi_2Se_3,Bi_2Te_3和類似的三元化合物。在這一類半導(dǎo)體中,綜合考慮到原子結(jié)合,對(duì)稱性和自旋軌道耦合等效應(yīng)給電子能級(jí)帶來的影響,就可以把半導(dǎo)體能隙反轉(zhuǎn)過來,但是在樣品表面仍然存在表面態(tài)。ARPES實(shí)驗(yàn)表明,普通摻雜無法破壞表面態(tài),而磁性摻雜由于破壞了時(shí)間反演對(duì)稱性,能直接使表面態(tài)打開一個(gè)能隙。輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)也提供了不少表面態(tài)的證據(jù),如具有極強(qiáng)各向異性的費(fèi)米面,非平庸的Sd H振蕩相位和弱反局域化,介觀體系中的量子振蕩等。但是由于體態(tài)的和平庸表面二維電子氣的干擾,輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)無法給出一個(gè)很確切的結(jié)果來證明表面態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)。同時(shí),理論上拓?fù)浣^緣體是實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)電性的重要手段,盡管有實(shí)驗(yàn)在超導(dǎo)體-三維拓?fù)浣^緣體構(gòu)成的器件上觀測(cè)到了零偏壓電導(dǎo)峰,在由此為基礎(chǔ)的超導(dǎo)干涉器件上觀測(cè)到了非常規(guī)的超導(dǎo)振蕩,但是這些實(shí)驗(yàn)不能明確表明Majorana束縛態(tài)的存在性。原因還是體態(tài)的和平庸表面二維電子氣的干擾,以及在二維平面/三維體上超導(dǎo)電流分布的復(fù)雜性和超導(dǎo)邊界的不確定性。所以我們把目光轉(zhuǎn)向拓?fù)浣^緣體納米線,一方面拓?fù)浣^緣體納米線比較容易生長(zhǎng),組分也容易調(diào)控,另外一方面低溫下,納米線的體態(tài)由于尺寸效應(yīng)被量子化,在輸運(yùn)上的貢獻(xiàn)可以被壓制。同時(shí),基于納米線制作的器件具有比較確定的電流分布和超導(dǎo)邊界,易于設(shè)計(jì)器件和進(jìn)行測(cè)量。最后,我們也希望能借此研究表面態(tài)和自旋軌道耦合電子態(tài)在介觀體系的行為。我們利用VLS方法,直接在具有金納米顆粒的二氧化硅基片上生長(zhǎng)了三維拓?fù)浣^緣體Bi_2Se_3納米線,并利用電子束曝光和電子束蒸發(fā)制作了歐姆接觸電極和隧穿電極。納米線電阻通常為1 k?到20 k?,取決于當(dāng)時(shí)的生長(zhǎng)條件和納米線的粗細(xì)。相比與薄膜(電阻通常小于1 k?,在大部分超導(dǎo)臨近效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中甚至只有幾十歐姆),表明體態(tài)的貢獻(xiàn)可以被壓制,表面態(tài)的變化在總體背景上有可能更明顯。歐姆接觸電極的接觸電阻通常遠(yuǎn)小于納米線電阻,是保證測(cè)量真實(shí)反映納米線信息和誘導(dǎo)超導(dǎo)臨近效應(yīng)的一個(gè)重要手段。在隧穿電極的器件中,我們觀測(cè)到了庫(kù)侖阻塞,證明了單電子隧穿占據(jù)主導(dǎo),是接下來測(cè)量態(tài)密度和進(jìn)行自旋調(diào)控的重要手段。當(dāng)用金做歐姆接觸電極的器件降到10 m K的溫度時(shí),我們觀測(cè)到了一個(gè)不穩(wěn)定的磁滯回線。該磁滯回線隨著溫度的升高,或者樣品中所施加的偏置電流增加而逐漸消失,表明了納米線中的電子自旋在極低溫和低能極限下傾向于處在有序狀態(tài)。這種有序狀態(tài)在磁場(chǎng)改變的時(shí)候會(huì)有相應(yīng)的響應(yīng)而被激發(fā)到一個(gè)亞穩(wěn)態(tài),反映在電阻變化上。當(dāng)磁場(chǎng)停止掃描時(shí),系統(tǒng)逐漸弛豫到一個(gè)穩(wěn)定的基態(tài)。我們認(rèn)為在低溫下,由于自旋軌道耦合,納米線中的電子在空間上形成了一些自旋疇。但是這些自旋疇的形成需要打破時(shí)間反演對(duì)稱性和空間旋轉(zhuǎn)對(duì)稱型,我們沒能找到這些對(duì)稱性破缺的來源,還需要更多的實(shí)驗(yàn)提供線索。另外,我們?cè)阡X做歐姆接觸電極的鋁-納米線-鋁約瑟夫森上觀測(cè)到了很好的臨近效應(yīng),測(cè)量到了超導(dǎo)電流和一個(gè)類能譜結(jié)構(gòu)。當(dāng)施加一個(gè)小的外磁場(chǎng)時(shí),該約瑟夫森結(jié)的臨界電流隨磁場(chǎng)增加而增加。同時(shí),熱漲落導(dǎo)致的約瑟夫森結(jié)剩余電阻逐漸減小到測(cè)量極限。這兩點(diǎn)同時(shí)表明,在這一類器件中,臨近效應(yīng)超導(dǎo)電性是被磁場(chǎng)增強(qiáng)的,呈現(xiàn)出非常反常的行為。當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到鋁電極的臨界磁場(chǎng),鋁電極中的電阻開始上升的時(shí)候,超導(dǎo)電性的增強(qiáng)停止,開始逐漸被壓制到消失。如果鋁電極的臨界磁場(chǎng)能夠更大或者被更換成其他材料,應(yīng)該可以測(cè)量得到更多,更有趣的性質(zhì)。變溫實(shí)驗(yàn)表明,在合適的溫度下,是可以在同一個(gè)器件中觀測(cè)到臨近效應(yīng)的增強(qiáng)和磁滯回線,所以我們就嘗試借用鐵磁體-超導(dǎo)體界面的理論工作來解釋我們的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。隨著磁場(chǎng)的增加,普通的s波超導(dǎo)電性被壓制。在這類系統(tǒng)中,臨近效應(yīng)產(chǎn)生的超導(dǎo)電性是自旋單態(tài)和自旋三重態(tài)的混合態(tài)。其中自旋單態(tài)在磁場(chǎng)中被抑制,而自旋三重態(tài)因?yàn)榇艌?chǎng)使得納米線中的自旋極化度增加而被增強(qiáng)。當(dāng)然,這些只是定性上的猜想,我們需要制作鐵磁電極,或者利用其他手段去探測(cè)磁場(chǎng)下鋁/拓?fù)浣^緣體納米線中的超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制。我們同時(shí)測(cè)量了該器件的交流約瑟夫森效應(yīng)。零場(chǎng)下,所有的Shapiro臺(tái)階都可以被觀測(cè)到,除了第零臺(tái)階的第一個(gè)零點(diǎn)被劈裂。在磁場(chǎng)中,由于臨近效應(yīng)的增強(qiáng),臺(tái)階越來越明顯。但是臺(tái)階的位置受到了約瑟夫森電流的影響,逐漸往零偏置電流方向平移。不同的臺(tái)階平移位置不一樣,導(dǎo)致了相鄰臺(tái)階的重合。這種重合使得兩個(gè)臺(tái)階變?yōu)橐粋�(gè),呈現(xiàn)出和理論上預(yù)言的Majorana束縛態(tài)導(dǎo)致的臺(tái)階高度加倍類似的行為。對(duì)此,如果進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)?zāi)鼙砻鱉ajorana束縛態(tài)的存在,我們就能實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)電性,否則單純的臺(tái)階高度加倍并不能作為Majorana束縛態(tài)存在的證據(jù)。最后,我們嘗試著把實(shí)驗(yàn)測(cè)量頻率往更高的方向發(fā)展,一方面希望利用散粒噪聲去探測(cè)系統(tǒng)界面上的散射信息,以此反推納米線單電子中各個(gè)態(tài)上的輸運(yùn)性質(zhì)。另外一方面,我們也希望能夠?qū)崿F(xiàn)中高頻時(shí)域的測(cè)量和調(diào)控。所以我們更換了系統(tǒng)的測(cè)量線路,優(yōu)化了高頻信號(hào)傳輸線,增加了低溫放大器,最終實(shí)現(xiàn)了低噪聲背景下MHz散粒噪聲測(cè)量。在拓?fù)浣^緣體納米線上,我們發(fā)現(xiàn)低溫低偏流下的噪聲明顯偏低,可能來源于表面態(tài)對(duì)散射的壓制。正文中,我首先介紹了相關(guān)領(lǐng)域的背景,然后介紹我們主要的實(shí)驗(yàn)手段。接著介紹我們?cè)谡＝饘匐姌O和超導(dǎo)電極下對(duì)拓?fù)浣^緣體納米線的輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和散粒噪聲實(shí)驗(yàn)。最后,我將對(duì)拓?fù)浣^緣體納米線進(jìn)行一些展望。
【圖文】：

[1]。七橋問題是四座城市通過七座橋連接在一起，其地理位置如圖1.1所示，問能否每座橋只經(jīng)過一次，就能走遍所有的橋。歐拉把問題抽象化，逐步得到1.1最右邊的等效結(jié)構(gòu)。四座城市用四個(gè)點(diǎn)表示，七橋問題就簡(jiǎn)化成為一筆畫問題：能否不重復(fù)地一筆畫完所有的線（點(diǎn)可以重復(fù)走）？圖 1.1: 七橋問題。左圖為最初版本，七座橋把四個(gè)城市連在一起，問題是能否不重復(fù)地走完七座橋。中圖：七橋問題的簡(jiǎn)化版本。右圖：七橋問題的抽象版本，四個(gè)城市用四個(gè)點(diǎn)表示，七座橋用七根線表示，，問題簡(jiǎn)化成：能否不重復(fù)地一筆畫完所有的線。圖片摘自維基百科。歐拉經(jīng)過分析，得出一個(gè)結(jié)論，問題有解的必要條件是，所有節(jié)點(diǎn)中，連出來的線的數(shù)目為奇數(shù)的節(jié)點(diǎn)只有零個(gè)或者兩個(gè)，與點(diǎn)和線的具體數(shù)量和相對(duì)位置無關(guān)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O469

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本文編號(hào)：2583961