Weyl半金属超导异质结中的电子输运性质

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近年来,人们发现了一类特别的金属体系,即所谓的Weyl半金属,引起了人们极大的研究兴趣,它们的低能激发可以用粒子物理中的两分量Dirac方程即Weyl方程来描述。在打破体系的时间反演对称性或空间反演对称性时,无质量的三维Dirac半金属会变为Weyl半金属,从而一个Dirac点会劈裂成两个Weyl点,具有无能隙的线性色散关系。虽然Weyl半金属没有能隙,但是仍然具有拓扑非平庸行为,如成对出现的手征性相反的Weyl点受到稳定的拓扑保护、表面不连续的费米弧、负磁阻效应等。然而,对超导Weyl半金属以及对其超导态的探测的研究还比较少,一个行之有效的办法是通过Andreev反射谱来探测。虽然已有对含有超导Weyl半金属异质结的研究,但是只局限于单结的Andreev反射,并未涉及到到双结的更丰富的散射过程特别是非局域Andreev反射、电导以及噪声。本文使用基于BdG方程的理论方法,研究了正常Weyl半金属/超导Weyl半金属/正常Weyl半金属的拓扑半金属异质结的电子输运性质。分别在BCS配对态和FFLO配对态下,探讨了配对的两个Weyl点的正常反射、正常透射、局域Andreev反射和非局域Andreev反射四个散射过程以及电导和噪声的特点,特别是配对的两个Weyl点之间的连线与界面法线的夹角α的影响,并对两种配对态下的结果进行了比较。结果发现,在同一配对态下,两个Weyl点的四个散射过程以及电导和噪声的特点大不相同,原因来自于配对的Weyl点的手征性相反,自旋与运动的方向绑定。另外,在BCS配对态下,由分别来自配对的两个Weyl点的电子配对,从而会出现由α导致的有效超导能隙,因此,两个Weyl点各自的散射过程发生的几率、电导以及噪声对α呈现各向异性的特点,然而,在FFLO配对态下,由来自同一 Weyl点内的两个电子配对,从而对α显示各向同性的特点。实验上测得的电导和噪声包括来自于配对的两个Weyl点的贡献。数值计算结果表明,在BCS配对态下总电导随eV的变化是先减小后增大最后再减小,伴有一个谷和一个峰,α对谷和峰出现的位置以及谷值和峰值有显著的影响,α越大,谷和峰向eV增大的方向移动,而FFLO配对态下总电导随eV先缓慢地增加然后迅速地减小,与α无关。对于噪声来说,BCS配对态下总的噪声随eV先从正值减小到某一负值,然后又增加至正值,伴有一个谷,而且谷随α增大向eV增大的方向移动,而FFLO配对态下总的噪声总是负值,随eV先缓慢增大,后开始减小,与α无关。因此,这些结果可以用来在实验上区分和证实BCS与FFLO配对态,一则通过测量电导或噪声随eV的变化特征,一则调节Weyl半金属中的掺杂浓度来改变α,观察电导峰值或噪声谷的特征。依靠目前的技术,可以实现上述的装置,在拓扑超导半金属电子学中具有实际意义。
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