李彩珍：狄拉克半金属纳米线超导拓扑相变

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Research Highlights

本期我们介绍的是北京理工大学物理学院李彩珍特聘研究员最新发表在Physical Review Letters 的文章Topological Transition of Superconductivity in Dirac Semimetal Nanowire Josephson Junctions, Cai-Zhen Li#, An-Qi Wang#, Chuan Li*, Wen-Zhuang Zheng, Alexander Brinkman, Da-Peng Yu, Zhi-Min Liao*

[Physical Review Letters, 2021,126: 027001]

论文简介

本工作首次在狄拉克半金属纳米线体系中实现了拓扑超导的栅压调控，为马约拉纳零能模的探索和拓扑量子比特的构筑提供了新思路。

原文摘要

We report the topological transition by gate control in a Cd3As2 Dirac semimetal nanowire Josephson junction with diameter of about 64 nm. In the electron branch, the quantum confinement effect enforces the surface band into a series of gapped subbands and thus nontopological states. In the hole branch, however, because the hole mean free path is smaller than the nanowire perimeter, the quantum confinement effect is inoperative and the topological property maintained. The superconductivity is enhanced by gate tuning from electron to hole conduction, manifested by a larger critical supercurrent and a larger critical magnetic field, which is attributed to the topological transition from gapped surface subbands to a gapless surfaceband. The gate-controlled topological transition of superconductivity should be valuable for manipulation of Majorana zero modes, providing a platform for future compatible and scalable design of topological qubits.

[ Physical Review Letters, 2021, 126: 027001]

寻幽问径

Scholar Insights

李

彩

珍

教授

科技部“973计划”首席科学家

国家青年海外高层次人才

2018年博士毕业于北京大学物理学院，之后在南方科技大学量子科学与工程研究院做博士后研究，2020年入职北京理工大学物理学院任特别研究员，主要从事低维拓扑材料的量子输运研究。

您开展这项研究的动机是什么？为什么这个方向会吸引您？

拓扑超导态是一种新奇的量子态，近年来已成为凝聚态物理的研究热点。由于体系的拓扑非平庸性，在拓扑超导体的边界上或者磁通涡旋处可以出现马约拉纳零能模。无能隙的马约拉纳零能模满足非阿贝尔统计，可用于构筑拓扑量子比特。因此对拓扑超导的研究不仅具有重要的基础科学研究意义，而且在拓扑量子计算方面具有潜在的应用前景。由于本征拓扑超导体材料非常有限，在拓扑材料中通过近邻效应调制超导已成为一种非常重要的方式和手段。然而，如何在实验上探测和证实拓扑超导、如何精准调控拓扑超导量子态的产生和消失是当前面临的重要挑战。我们从2015年开始研究狄拉克半金属体系，如何在狄拉克半金属体系中实现拓扑超导成了我们这些年致力于研究的问题。

完成这项研究需要采取什么领先或特殊的计算方法/实验手段？

要实现拓扑超导，一方面要有高质量的样品；另一方面需要施加栅压有效地调控导电载流子类型。我们构筑了Nb/狄拉克半金属Cd3As2纳米线/Nb约瑟夫森结。通过调节栅压，控制纳米线表面量子限制效应的出现和消失，进而调控体系的拓扑性质。基于这种栅压调控的拓扑相变，将s波超导体Nb与纳米线近邻，可实现栅压调控的拓扑超导相变，同时伴随着拓扑超导态的产生和消失。

研究过程中遇到的最大困难是什么？最后如何克服了？

本研究需要在约瑟夫森结中利用栅压实现电子导电到空穴导电的调控，然而在器件制备过程中，Nb电极的蒸镀会对狄拉克半金属纳米线造成严重的电子掺杂效应，使得很难调控到空穴导电，从而无法调控体系的拓扑性质。为了克服这一困难，我们制备了多个不同沟道长度的器件，通过分析得到了蒸镀Nb电极引入的电子掺杂效应的范围，最终挑选出了既能观测到量子相干效应又可以实现栅压调控的器件。

研究结果的创新性和重要性具体体现在哪些方面？

传统的通过近邻效应实现拓扑超导的方案主要集中在半导体纳米线体系。与半导体/超导体近邻体系相比，这种在狄拉克半金属纳米线中实现的拓扑超导量子态的栅压调控方法具有多重优势。该系统中拓扑超导量子态的产生不需要额外加磁场，这样用来近邻的超导体种类就大大增加；同时这里拓扑超导量子态可以在较大的栅压范围内稳定存在，不需要参数的精准调制，有利于将来实现规模化的拓扑量子比特。

您的合作者提供了哪些帮助？如何看待这项研究？

这项研究我们与荷兰屯特大学有着密切的合作，我与合作者以及其他同行都曾多次深入讨论过这项研究。同行们普遍认为我们这项研究新颖和有趣，对相关领域的发展具有重要的促进作用。这项工作展示的拓扑超导相变的栅压调控，为马约拉纳零能模的探索和拓扑量子比特的构筑提供了新的思路。

论文在投审稿过程中遇到了什么让您记忆深刻的事情？

让我记忆深刻的事情就是要坚持到底，不要轻易放弃。我们的工作刚投稿到Physical Review Letters时，第一轮审稿意见一般，但是我的导师和合作者坚信我们的工作意义重大，我们经过大量的交流讨论，并结合审稿人的意见对论文进行了非常细致的修改和完善，最终获得了主编和审稿人的同意，得以发表。

您将会继续深入相关的研究工作吗？有什么具体的期待？

我们会继续关于拓扑超导及量子调控的研究工作。该项研究不仅在基础研究中具有重要的科学意义和价值，而且具有巨大的潜在应用价值，可以为新型低功耗电子器件研发和拓扑量子计算等应用提供实验和理论基础。我们期待在后续工作中可以实现马约拉纳零能模的精准调控和编织运算。

能否分享您在研究探索过程中的某些难忘时刻，比如曾经想要放弃，或者豁然开朗的顿悟。

这项研究中最令我难忘的是器件测量和处理数据的那段时间。我们做了不同结构的器件，虽然一开始对测量结果有一些预期，但是有时候也会采集到不同于预期的新奇结果，好的则令人兴奋，坏的则令人头疼。我们经过了大量的实验总结和交流讨论，才最终明确了如何解释这些新奇的实验结果。这个过程既有百思不解的时刻、也有豁然大悟的时刻，让我印象非常深刻。

您认为在您的研究生涯中，谁（哪几位）曾给予您很大的支持与帮助？

首先要感谢我的博士导师，南方科技大学/北京大学的俞大鹏教授和北京大学的廖志敏教授。从我研究生入学到博士毕业，再到博士后出站和入职，俞老师和廖老师都给了我很大的帮助和支持。从他们身上，我看到了一个科学家的专注、勤奋和创新的精神。俞老师、廖老师对科研的热情和坚持不懈的态度一直是我学习的榜样。感谢我的合作者，荷兰屯特大学的Alexander.Brinkman教授和李川教授，在与他们合作的过程中，我学到了很多，受益匪浅。

您非常敬仰的科学家有哪一位或哪几位？简述原因。

吴健雄，她的高雅与聪慧、对科学的全心投入和坚定意志让我崇敬。

（健雄人杰，吾辈楷模——中国物理学会理事长张杰院士在吴健雄先生诞辰110周年纪念会上的发言）

您对年轻学生和青年科学家有哪些个人的经验/教训/建议可以分享？

建议年轻的同学多和周围的老师和同学们沟通交流，做科研一定要有耐心和信心，不要轻易放弃，同时也要开阔思维，多思考。

/ 附录

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李彩珍研究员近期另两篇代表性论文：

Reducing Electronic Transport Dimension to Topological Hinge States by Increasing Geometry Size of Dirac Semimetal Josephson Junctions

Cai-Zhen Li#, An-Qi Wang#, Chuan Li*, Wen-Zhuang Zheng, Alexander Brinkman, Da-Peng Yu, Zhi-Min Liao*

[ Phys. Rev. Lett. 124, 156601 (2020) ]

Fermi-arc supercurrent oscillations in Dirac semimetal Josephson junctions