基于狭窄二维拓扑绝缘体的任意磁构型下超导结的自旋输运性质

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近年来,基于拓扑绝缘体的超导结的自旋输运性质引起了人们极大的研究兴趣。拓扑绝缘体是一种表现为体内存在能隙的绝缘态,而表面却是没有能隙的金属态的体系,受到时间反演对称性的保护。当超导体或铁磁绝缘体与拓扑绝缘体的表面接触时,由于邻近效应,拓扑绝缘体的表面也具有了超导电性或铁磁性,从而会改变其输运性质。尤其在狭窄的二维拓扑绝缘体情形下,两边的边缘态之间发生了耦合,因此能够带来奇特的输运现象。本文利用基于拓展的Bogoliubov-de Gennes (B dG)方程的理论方法研究了基于狭窄二维拓扑绝缘体的任意磁构型下的磁性超导结的自旋输运性质。首先,研究了基于狭窄二维拓扑绝缘体的任意磁构型下的铁磁绝缘体/s-波超导体/铁磁绝缘体异质结的自旋输运性质,此系统可以用来产生自旋纠缠。结果发现,因为非线型磁化引起自旋混合,所以不仅存在固有非局域Andreev反射,还存在新型非局域Andreev反射。前者的入射电子和非局域Andreev反射空穴属于不同的自旋子能带,因而形成了自旋单重态纠缠配对,而后者的入射电子和非局域Andreev反射空穴属于相同的自旋子能带,从而形成自旋三重态纠缠配对。在低能量范围内,入射自旋朝下电子的各种散射过程均被完全抑制。而对于入射自旋朝上电子来说,在某些能量值处,随着两铁磁绝缘体磁化方向的夹角α增加,新型非局域Andreev反射几率先逐渐增加,然后逐渐减小,在α = π/2处出现一峰值,然而,对于固有非局域Andreev反射几率来说,变化行为恰好相反,在α = π/2处出现一谷值。在所有的磁构型下,新型和固有非局域Andreev反射的几率之和均可以达到接近100%,意味着都可以高效率地产生自旋纠缠电子对,且通过调控可以获得不同比例的自旋单重态和三重态纠缠电子对的混合。特别的是,在α = π/2角度磁构型下,前者的峰值和后者的谷值均能接近50%。此外,只有在低能时,角度α对微分电导和噪声才会有比较明显的影响,这也恰好地反映了散射过程的特点。其次,研究了基于狭窄二维拓扑绝缘体的任意磁构型下的铁磁绝缘体/铁磁绝缘体/s-波超导体异质结的自旋输运性质。结果表明,在低能量窗范围内,类似地,只有入射自旋朝上的电子才能产生各种散射过程。同样由于非线型磁化引起自旋混合,除了固有局域Andreev反射外,还存在新型局域Andreev反射。入射电子与两种局域Andreev反射空穴分别属于不同和相同的自旋子能带,从而也分别形成了的自旋单重态和自旋三重态。非常有趣的是,随着两铁磁绝缘体磁化方向的夹角α增加,新型局域Andreev反射几率的变化跟上述的铁磁绝缘体/s-波超导体/铁磁绝缘体结构中新型非局域Andreev反射几率的变化特点相同,也在α = π/2处出现峰。在α = π/2角度磁构型下,当能量取在超导能隙值△附近时,新型局域Andreev反射几率接近100%,意味着可以高效率地产生自旋三重态,当能量取在0.4A附近时,固有局域Andreev反射几率也可以接近100%,表明该磁构型可以高效率地产生自旋单重态。同样,角度对微分电导和噪声特征的影响也能反映其散射过程的特点。在实验上,依靠目前的技术,可以实现上述两种异质结所制作的器件,一则能获得自旋单重态和三重态的纠缠电子对的混合,一则能获得高效率自旋单重态和三重态的自旋流,这在拓扑超导自旋电子学和量子信息中具有重要的实际意义。
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