Engineering low-dimensional topological superconductivity in magnetic heterostructures

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-10-04
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
74 + app. 76
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 160/2018
Abstract
Topological matter, which derives its properties from the overall topology of the bulk material, has in the past few decades emerged as one of the most important topics in condensed-matter physics. As a consequence of the non-local character of these systems, their exotic properties -- such as conducting edges on bulk insulators, or fractally-charged quasiparticles -- are remarkably robust to perturbations, potentially enabling a multitude of applications. Topological superconductors, in particular, have attracted significant interest, as they are predicted to support zero-energy Majorana bound states, quasiparticles that arise as equal superpositions of electrons and holes. A characteristic feature of Majorana bound states are their non-Abelian exchange statistics, which could see future use in, for example, topological quantum computers. It is known that embedded point-like magnetic impurities in a superconducting substrate support slowly-decaying subgap bound states known as Yu-Shiba-Rusinov states. The bands created when these Yu-Shiba-Rusinov states hybridise have symmetry properties which make them especially suitable as a platform for topological superconductivity in both one and two dimensions. The main contribution of this dissertation lies in studying this type of system in mean-field BCS approach, using both analytical and numerical methods with focus on topological properties. The overarching goal is to contribute to the ongoing search for systems in which topological superconductivity can be realised and experimentally observed.  In Publications I-III we study the topological properties of systems based on one-dimensional chains of magnetic impurities, focusing on analytically solving for the topological phase transitions and spectral properties of the systems. In Publication I the focus is on coupled chains with nearest-neighbour hopping, while in Publications II-III, we move on to consider systems with infinite hopping, developing a general framework for approaching Yu-Shiba-Rusinov-based topological superconductors. In Publications V-VI we consider generalisations of the basic Yu-Shiba-Rusinov lattice; in the former, by making use of non-pointlike nanomagnets, and in the latter, by abandoning lattice structure altogether and showing that topologically nontrivial phases can arise even in amorphous systems with sufficiently dense impurities. In Publication IV, we instead examine a magnetic skyrmion coupled to an intrinsic two-dimensional topological superconductor. We find that the character of the bound states depends on the type of skyrmion and the form of the superconducting pairing terms, allowing the bound-state properties to act as a probe of the underlying system.

Topologisk materia, ett begrepp för ämnen vars egenskaper härrör från deras topologi, har underde senaste decennierna uppnått en position som ett av de viktigaste forskningsområdena inom denkondenserade materiens fysik. Som en följd av dessa systems icke-lokala karaktär är deras exotiskaegenskaper -- som elledande kanter på isolatorer, eller kvasipartiklar med bråktalsladdning --anmärkningsvärt robusta gentemot störningar, vilket potentiellt möjliggör en mångfald avtillämpningar. Topologiska supraledare i synnerhet har väckt intresse, då de förutspås uppvisakvanttillstånd av Majorana-typ, kvasipartiklar som består av en jämlik superposition av elektroneroch hål. En viktig egenskap hos dessa kvasipartiklar är att de lyder under en icke-abeliskpartikelstatistik, vilket kunde ha framtida tillämpningar i till exempel kvantdatorer. Punktliknande magnetiska orenheter som är inbäddade i en supraledare binder kvanttillstånd, så kallade Yu-Shiba-Rusinov-tillstånd, med energier som ligger i supraledarens bandgap och somavtar långsamt på skalor kortare än supraledarens koherenslängd. Då dessa kvanttillståndöverlappar, skapar de energiband vars symmetriegenskaper gör dem särskilt väl lämpade förtopologisk supraledning i en eller två dimensioner. Forskningen i denna avhandling, och desshuvudsakliga bidrag till fältet, är centrerad kring att studera dylika system med hjälp av analytiskaoch numeriska metoder, med huvudfokus på systemens topologiska egenskaper. Målet är att finnaresultat som kan vara till nytta i den aktuella forskningsmiljön i vilken ett flertal experimentallagrupper försöker finna konkreta bevis på att topologiska supraledare kan konstrueras ochobserveras i verkligheten. I Publikationerna I-III undersöker vi system baserade på endimensionella kedjor avpunktliknande magnetiska orenheter, med fokus på att analytiskt finna systemens topologiskafastransitioner samt energispektra. I Publikation I behandlar vi sammanbundna kedjor medkoppling mellan närmaste grannar, medan vi i Publikationerna II-III övergår till att studera systemmed oändlig räckvidd på kopplingar mellan orenheter och utvecklar ett allmänt tillvägagångssättför att studera Yu-Shiba-Rusinov-baserade topologiska supraledare. Då tidigare publikationer snarast betraktat regelbundna Yu-Shiba-Rusinov-gitter undersöker vi i Publikationerna V-VI mer allmänna system: i Publikation V genom att låta orenheterna varananomagneter med icke-punktlik struktur och i Publikation VI genom att helt överge tanken påen gitterstruktur och visa att topologiskt icke-triviala faser kan uppstå även i amorfa system omorenheterna ligger tätt nog. I Publikation IV undersöker vi i stället en magnetisk skyrmion som är kopplad till en topologisk$p$-vågssupraledare. Vi visar att karaktären av de bundna tillstånd som uppstår beror påskyrmionens struktur och formen på Cooperparens bindingsenergi, vilket innebär att man ur debundna tillstånden kan få ut information om systemet som helhet.
Description
Supervising professor
Flindt, Christian, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Ojanen, Teemu, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
topology, superconductivity, mesoscopic systems
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Kim Pöyhönen, Alex Westström, Joel Röntynen, Teemu Ojanen. Majorana states in helical Shiba chains and ladders. Physical Review B, Phys. Rev. B 89, 115109, March 2014.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808084476
    DOI: 10.1103/PhysRevB.89.115109 View at publisher
  • [Publication 2]: Alex Westström, Kim Pöyhönen, Teemu Ojanen. Topological properties of helical Shiba chains with general impurity strength and hybridization. Phys. Rev. B, 91, 064502, Feb 2015.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808084480
    DOI: 10.1103/PhysRevB.91.064502 View at publisher
  • [Publication 3]: Kim Pöyhönen, Alex Westström, Teemu Ojanen. Topological superconductivity in ferromagnetic atom chains beyond the deep-impurity regime. Phys. Rev. B, 93, 014517, Jan 2016.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808084502
    DOI: 10.1103/PhysRevB.93.014517 View at publisher
  • [Publication 4]: Kim Pöyhönen, Alex Westström, Sergey S. Pershoguba, Teemu Ojanen, Alexander V. Balatsky. Skyrmion-induced bound states in a p-wave superconductor. Phys. Rev. B, 94, 214509, Dec 2016.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808014177
    DOI: 10.1103/PhysRevB.94.214509 View at publisher
  • [Publication 5]: Kim Pöyhönen, Teemu Ojanen. Superlattice platform for chiral superconductivity with tuneable and high Chern numbers. Phys. Rev. B, 96, 174521, Nov 2017.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808014092
    DOI: 10.1103/PhysRevB.96.174521 View at publisher
  • [Publication 6]: Kim Pöyhönen, Isac Sahlberg, Alex Westström, Teemu Ojanen. Amorphous topological superconductivity in a Shiba glass. Nature Communications, 9, 2103, May 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201806253482
    DOI: 10.1038/s41467-018-04532-x View at publisher
  • [Errata file]: Errata of Publication 2
Citation