北理工在準晶超導研究方面取得新進展


  近日,北京理工大學物理學院由楊帆教授牽頭的研究團隊在準晶超導方面取得重要進展,相關論文發表在國際頂級期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。在該論文中,北京理工大學為第一單位,曹業副研究員為第一作者,楊帆教授為通信作者。參與該論文工作的還有張用友副教授、劉玉波(楊帆指導的博士生)、劉鋮鋮教授以及南方科技大學的陳偉強教授。

  準晶是一種奇特的晶體結構,有多重旋轉對稱性卻沒有平移不變性,具體到彭羅斯準晶,它是五維立方結構向兩維的投影,其電子結構與周期性系統有本質區別。他們的工作揭示了準晶系統的兩個獨特性質:第一、庫伯對的自旋自由度和空間角動量解耦,這使得無論自旋單態還是三重態的庫伯對都可以具有奇或偶的空間角動量;第二、在破壞時間反演的超導態中有體的自發超流。這兩個性質均來自系統平移不變性的缺失,對準晶系統具有一般性。

  前人的工作大部分局限于對單電子行為的描述,對于從微觀角度研究電子的關聯行為還處于空白,而他們的工作著眼于此。他們從微擾論方法出發,使用費曼圖技術將粒子-空穴形的激發計及在內,把周期性系統中著名的Kohn-Luttinger機制推廣到了非周期性的準晶系統,構造出了二階有效哈密頓量,并以此為基礎對彭羅斯系統的超導性質進行了系統研究。借助大規模數值計算,他們得到了電子填充-相互作用的相圖,相圖表明在弱相互作用下,四種拓撲超導態中的三種會出現,均具有非平庸的拓撲數。進一步計算表明,這些拓撲超導態均破壞時間反演,因此會產生自發的體超流。

  以上研究工作得到了國家自然科學基金委、北京理工大學青年教師學術啟動計劃的支持。

圖 態空間超導序參量的模[a, b]和實空間超導序參量[c, d]。[a, c]為單態s波,[b, d]為三重態d波。(d)中的等高圖表示序參量的模、綠色箭頭表示復數序參量的幅角方向。

  文章信息:(*為通信作者) Ye Cao, Yongyou Zhang, Yu-Bo Liu, Cheng-Cheng Liu, Wei-Qiang Chen, and Fan Yang*, Kohn-Luttinger Mechanism Driven Exotic Topological Superconductivity on the Penrose Lattice, Phys. Rev. Lett. 125, 017002 (2020).

 

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