近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）拓扑量子计算团队与苏州大学陈垂针团队合作，在基于量子反常霍尔效应的约瑟夫森结中，理论上发现了一种由磁畴诱导的反常类夫琅和费谱图样（如图1所示）。2024年6 月18 日，相关研究成果以“Anomalous Fraunhofer-like patterns in quantum anomalous Hall Josephson junctions”为题发表在《Physics Review Research》(Editors’ Suggestion)上.

   量子反常霍尔效应拥有无耗散的手性边缘态，其与传统超导材料形成的量子反常霍尔效应/超导异质结是实现拓扑超导体的潜在平台之一。进一步地，由上述异质结-量子反常霍尔效应-异质结构形成的手性约瑟夫森结是实现拓扑量子计算和量子信息的基础器件。现有的理论研究表明，在理想的手性约瑟夫森结中，边缘态超流会随着外加磁场展现出h/e的周期性震荡（h为普朗克常数，e为电子电荷）。然而，实验研究显示，在由磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜构成的量子反常霍尔效应体系中，由磁畴引起的体态载流子不可避免地存在。因此，研究体态载流子在外加磁场下对约瑟夫森结干涉谱的影响，对于真实体系的实验测量具有重要的指导意义。

图1  手性约瑟夫森结中的磁畴模型的示意图以及反常的类夫琅和费谱图样。

研究人员通过调节体系的费米面，研究了由边缘态主导的超流向由体态主导的超流的在外加磁场下的干涉谱演化过程。当费米面位于体带隙时，只有手性边缘态参与输运，此时超流干涉谱在外加磁场下展现出h/e的周期性震荡(图2(a)和(b))。当费米面移动到导带时，边缘态和体态载流子共同参与输运，h/e的周期性震荡图样被破坏(图2(c)-(e))。当费米面进一步抬高，体态载流子在输运中占据主导地位，超流在外加磁场下展现出夫琅和费衍射图样。

图2 边缘态主导的超流到体态主导的超流的在外加磁场下的干涉谱的演化过程。

除了上述由于调节费米面至导带时体系出现的体态载流子外，即使费米面仍位于体带隙内，体系中由磁畴引起的体态载流子也不可避免地参与输运。研究人员通过渗流模型模拟了磁畴，并计算了磁畴引起的体态载流子对超流干涉谱的影响，发现了一种反常的类夫琅和费谱。这类反常的类夫琅和费谱普遍存在于磁性掺杂的手性约瑟夫森结中，该工作对后续实验观测具有重要的指导意义。

该成果的第一作者为量子院助理研究员齐俊杰，共同通讯作者为齐俊杰和苏州大学陈垂针教授。其他重要合作者包括北京大学/复旦大学谢心澄院士、量子院兼聘研究员/清华大学何珂教授、量子院兼聘研究员/清华大学刘东副教授、复旦大学江华教授、北京师范大学刘海文教授和西安交通大学刘杰教授。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、科技部科技创新2030-量子通信与量子计算机重大项目以及江苏省优秀青年基金的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.6.023293