Топологическая сверхпроводимость и майорановские состояния в низкоразмерных системах

Успехи физических наук. 2022. Т. 192. № 1. С. 3–44.

Вальков В. В., Шустин М. С., Аксенов С. В., Злотников А. О., Федосеев А. Д., Мицкан В. А., Каган М. Ю.

В обзоре обсуждаются свойства сверхпроводящих фаз с нетривиальной топологией и условия их реализации в конденсированных средах, критерии появления в твердых телах элементарных возбуждений майорановского типа, а также принципы и основанные на них экспериментальные методы идентификации майорановских связанных состояний (МСС). Наряду с хорошо известными моделями цепочки Китаева и сверхпроводящей нанопроволоки (СП) со спин-орбитальным взаимодействием во внешнем магнитном поле рассмотрены модели квазидвумерных материалов, в которых МСС реализуются при наличии неколлинеарного спинового упорядочения. Для СП конечной длины продемонстрирован каскад квантовых переходов при изменении магнитного поля, сопровождающийся сменой фермионной четности основного состояния. Возникающее при этом аномальное поведение магнетокалорического эффекта может быть использовано как средство идентификации МСС. Значительное внимание уделено анализу транспортных характеристик устройств, включающих материалы с нетривиальной топологией. Подробно представлены результаты изучения проводимости кольца Ааронова-Бома, рукава которого соединены СП. Важная особенность данного устройства заключается в появлении резонансов Фано в зависимости кондактанса от магнитного поля, когда СП находится в топологически нетривиальной фазе. Установлена связь между характеристиками таких резонансов и пространственной структурой состояния СП, обладающего наименьшей энергией. В рамках t-J-V-модели на треугольной решетке определены условия возникновения МСС в фазе сосуществования киральной d+id сверхпроводимости и 120-градусного спинового упорядочения. При учете электрон-электронных взаимодействий рассмотрены топологические инварианты низкоразмерных сверхпроводящих материалов с неколлинеарным спиновым упорядочением. Продемонстрировано формирование майорановских мод в областях с нечетным значением топологического ℤ-инварианта. Определена пространственная структура этих возбуждений в ансамбле фермионов Хаббарда.

Ключевые слова: низкоразмерные системы, Coulomb correlations, кулоновские корреляции, topological invariant, low-dimensional system, квантовый транспорт, spin-orbit interaction, quantum transport, topological superconductivity, топологические инварианты динамических систем, Majorana bound states, non-collinear magnetism, майорановские связанные состояния, спин-орбитальное взаимодействие, неколлинеарный магнетизм, топологическая сверхпроводимость

ПУБЛИКАЦИЯ ПОДГОТОВЛЕНА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПРОЕКТА: Теоретико-экспериментальные исследования электронных и фотонных процессов в перспективных гетерогенных структурах, предназначенных для полимерных и перовскитных фотопреобразователей, с целью повышения эффективности и стабильности характеристик устройств (2022)