近日，重庆大学前沿院量子材料与器件研究中心、物理学院王锐教授和许东辉副教授课题组从理论上研究了新型笼目晶格材料中基于手性通量相的拓扑超导电性，建立了手性拓扑超导电性与破坏时间反演对称电荷密度波序之间的关联，揭示了上述拓扑超导相中特殊混合手性的马约拉纳边界模，并探究了其量子输运行为的特性。相关研究以“Chiral-flux-phase-based topological superconductivity in kagome systems with mixed edge chiralities ”为题于2023年08月25日发表在物理学顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上 [Phys. Rev. Lett. 131, 086601 (2023)]。
以 AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs) 为代表的新型笼目晶格体系因其承载的多种新奇量子现象，例如非平庸的能带拓扑、相互交织的超导以及非常规电荷密度波序，是当前凝聚态物理研究的前沿热点之一。迄今为止，笼目晶格材料AV3Sb5中超导电性的库柏对配对对称性尚无定论，超导和电荷密度波序的共存可引起新的演生量子现象还有待研究。
图 1 手性通量相和混合手性的手征马约拉纳边界模。
针对以上情况，该课题组系统研究了笼目晶格体系中三种可能的电荷密度波序与自旋单态s波和d波超导配对协作下产生的量子态。理论计算表明，破坏时间反演对称性的2×2电荷密度波手性通量相 [如图1(a) 所示] 可导致具有非平庸陈数的手性拓扑超导态，揭示了一种无需磁场驱动的手性拓扑超导产生机制。通过谱函数信息研究人员发现，该拓扑超导态具有奇数支无能隙的马约拉纳边界模的，然而，马约拉纳边界模并非单一手性，而是呈现出手性混合的状态，如图1(b)-(c) 所示。
这种具有混合手性的马约拉纳边界模在参与输运过程时会具有特殊的响应行为。为了研究这一行为，研究人员进一步构建了两端口输运结构，以图1(c) 所示拓扑超导相为例，通过非平衡格林函数方法研究了其手征边界态的输运信号。如图2(a)-(c) 所示，当导线均处于量子反常霍尔效应态时，该拓扑超导相的手征边界态给出单位平台的透射信号；而当导线均处于普通金属态时，如图2(d) 所示，对应的平台信号变成了二分之三。
图 2 两端口输运系数随化学势变化的行为。缩写含义：NET=正常电子透射，LAR/CAR=局域/交叉安德烈夫反射
该工作首次建立了手性拓扑超导电性与破坏时间反演对称电荷密度波序之间的关联，揭示了上述拓扑超导相中特殊混合手性的马约拉纳边界模，并给出可供实验验证的量子输运特性。该项工作为理解最近发现的笼目材料AV3Sb5 (A = K, Rb, Cs) 中丰富的交织量子现象提供了重要途径。重庆大学物理学院博士后曾俊杰博士为该工作第一作者，重庆大学前沿院量子材料与器件研究中心、物理学院王锐教授和许东辉副教授为共同通讯作者，重庆大学为第一单位，重庆大学物理学院本科生杨迅参与了该工作，合作者还包括石家庄学院的李庆明博士。该工作得到了国家自然科学基金、重庆自然科学基金、中央高校基本科研、量子材料与器件研究中心建设项目等项目的资助。
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.086601
