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凝聚态物理 > 中尺度与纳米尺度物理

arXiv:1507.00040 (cond-mat)
[提交于 2015年6月30日 (v1) ,最后修订 2015年8月12日 (此版本, v2)]

标题: 在拓扑绝缘体-超导体异质结构中的交互增强拓扑相

标题: Interaction-enabled topological phases in topological insulator-superconductor heterostructures

Authors:D. I. Pikulin, Ching-Kai Chiu, Xiaoyu Zhu, M. Franz
摘要: 物质的拓扑相依赖于相互作用才能存在,这在根本上是有趣的,并且作为未来量子计算机的平台可能具有潜在的用途。 尽管有众多理论提案,但实验上观察到的唯一由相互作用引发的拓扑相是分数量子霍尔液体。 为了帮助识别其他可以产生这种相的系统,我们在本文中详细研究了相互作用对三维拓扑绝缘体超导表面上束缚在涡旋中的马约拉纳零模的影响。 这个系统很有趣,因为最近指出它可以被调节到强相互作用的区域。 我们从一个0D系统开始,提出了一种实验实现之前由Fidkowski和Kitaev讨论过的相互作用引起的$\mathbb{Z}_8$基态周期性的方法。 我们认为可以通过隧道探测器来实验观察这种周期性。 然后我们关注可以利用涡旋晶格中马约拉纳费米子构建的相互作用引发的晶体拓扑相。 在1D中,我们识别了一个有趣的精确可解模型,它与之前讨论过的一个表现出相互作用引发的拓扑相的模型有关。 我们使用分析技术、精确数值对角化(ED)和密度矩阵重整化群(DMRG)来研究这些模型。 我们的结果证实了相互作用引发的拓扑相的存在,并阐明了导致它的量子相变的性质。 最后,我们讨论了在2维和3维中产生类似相互作用引发的拓扑相的模型。
摘要: Topological phases of matter that depend for their existence on interactions are fundamentally interesting and potentially useful as platforms for future quantum computers. Despite the multitude of theoretical proposals the only interaction-enabled topological phase experimentally observed is the fractional quantum Hall liquid. To help identify other systems that can give rise to such phases we present in this work a detailed study of the effect of interactions on Majorana zero modes bound to vortices in a superconducting surface of a 3D topological insulator. This system is of interest because, as was recently pointed out, it can be tuned into the regime of strong interactions. We start with a 0D system suggesting an experimental realization of the interaction-induced $\mathbb{Z}_8$ ground state periodicity previously discussed by Fidkowski and Kitaev. We argue that the periodicity is experimentally observable using a tunnel probe. We then focus on interaction-enabled crystalline topological phases that can be built with the Majoranas in a vortex lattice in higher dimensions. In 1D we identify an interesting exactly solvable model which is related to a previously discussed one that exhibits an interaction-enabled topological phase. We study these models using analytical techniques, exact numerical diagonalization (ED) and density matrix renormalization group (DMRG). Our results confirm the existence of the interaction-enabled topological phase and clarify the nature of the quantum phase transition that leads to it. We finish with a discussion of models in dimensions 2 and 3 that produce similar interaction-enabled topological phases.
评论: 14页,8图;v2
主题: 中尺度与纳米尺度物理 (cond-mat.mes-hall) ; 超导性 (cond-mat.supr-con)
引用方式: arXiv:1507.00040 [cond-mat.mes-hall]
  (或者 arXiv:1507.00040v2 [cond-mat.mes-hall] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.1507.00040
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: Phys. Rev. B 92, 075438 (2015)
相关 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.075438
链接到相关资源的 DOI

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来自: Dmitry Pikulin [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2015 年 6 月 30 日 21:11:10 UTC (3,022 KB)
[v2] 星期三, 2015 年 8 月 12 日 01:26:33 UTC (3,022 KB)
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