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基于拓扑绝缘体的约瑟夫森量子器件的任务书
一、课题背景
拓扑绝缘体是一种新型材料，在物理学上具有重要的意义与应用价值。它具有特殊的电子结构，在它表面处的电子行为会发生变化，从而呈现出与普通材料不同的性质，例如在表面电导中能够发现较为显著的量子霍尔效应，而体内又表现出电流在材料内部向外侧运动，由于费米能位不允许的原子间跃迁会被隔离，因此，电流在材料内部流动时会保持较强的稳定性，在量子电子学领域具有非常广阔的应用前景。
约瑟夫森结构是一种曾经非常重要的量子器件，在1980s的时候，曾经获得了强烈的关注，并且带来了很多创新。该结构由两层超导体和一层非超导金属构成，其中地点为两层超导体直接接触的点，称为约瑟夫森接点。当两层超导体的温度低于临界温度，电子会以库伯对的形式运动，而当电子通过约瑟夫森接点时，会发生电子对的转换，导致电流产生周期性震荡，这种现象被称为约瑟夫森效应。
基于拓扑绝缘体的约瑟夫森量子器件则是一种全新的结构，其结构与传统约瑟夫森结构基本相似，但材料的选择上却采用了拓扑绝缘体，利用其非常稳定的电导和能带特性，可以实现更精密的电子控制，能够用于未来的量子计算和神经网络等领域。
二、任务目标
本研究的任务目标是针对基于拓扑绝缘体的约瑟夫森量子器件进行研究。主要研究目标如下：
1.探究基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结构的量子霍尔效应与表面电导；
2.研究基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结构的电子输运特性，包括约瑟夫森效应、量子干涉现象等；
3.对于目前的拓扑绝缘体材料进行分析，研究其在约瑟夫森结构中的应用潜力，根据若干拓扑绝缘体材料的性质研究它们能够带来的特殊效应与优点；
4.尝试制造基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结构样品，并测试电子输运特性与震荡几率特性；
5.尝试采用不同的拓扑绝缘体材料进行制造，并比较他们的性能、优势、劣势以及应用特点。
三、研究内容
1.拓扑绝缘体量子材料的制备与性质表征
1）采用化学气相沉积（CVD）等方法，制备出拓扑绝缘体材料；
2）利用低温扫描探针显微镜（LT-STM）等仪器，对样品的表面结构进行表征，观察量子霍尔电导与表面能带的分布（能带拓扑结构）等性质；
2.基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结构电子输运特性探究
1）研究费米能位位置对电子传输性质的影响，分析拓扑绝缘体中的霍尔电导与约瑟夫森效应产生的结果；
2）研究约瑟夫森结构在不同电压下的电导和电阻变化；
3）研究约瑟夫森结构电子输运中的量子干涉现象，如Josephson光谱、Shapiro步长、自发电流；
4）尝试针对拓扑绝缘体的约瑟夫森结构应用于量子计算和神经网络领域等特定应用。
3.拓扑绝缘体材料的应用性实验
1）针对不同拓扑绝缘体材料进行约瑟夫森结构样品制备与测试；
2）针对约瑟夫森结构在材料选择和制备上的应用进行探究；
3）研究约瑟夫森结构在拓扑绝缘体材料的应用方向，挖掘其更多性能和特点。
四、研究方法
1.实验仪器
化学气相沉积系统、扫描探针显微镜（STM）、透射电子显微镜（TEM）、光电子发射光谱仪、电子束光刻系统（EBL）、薄板型约瑟夫森结构电路、低温控温系统。
2.实验步骤
1）采用CVD等方法制备拓扑绝缘体材料；
2）使用STM对样品的表面结构进行表征，观察量子霍尔电导与表面能带的分布；
3）搭建约瑟夫森结构电路，进行不同电场下的测试；
4）使用低温控温系统调节样品的温度，探究不同温度下的表现；
5）比较不同拓扑绝缘体材料的性能、优势、劣势以及应用特点。
五、论文结构
1.引言：介绍拓扑绝缘体的意义，阐述约瑟夫森结构特点和拓扑绝缘体的研究意义；
2.国内外研究现状：梳理已有的拓扑绝缘体和约瑟夫森结构研究论文，介绍国内外已有的成果和进展；
3.拓扑绝缘体量子材料的制备与性质表征：介绍制备拓扑绝缘体材料的方法，表征它的表面结构以及特殊的能带拓扑结构；
4.基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结构电子输运特性探究：探究基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结构的电子输运特性与震荡几率特性；
5.拓扑绝缘体材料的应用性实验：针对不同拓扑绝缘体材料进行约瑟夫森结构样品制备与测试，探究约瑟夫森结构在材料选择和制备上的应用；
6.总结与展望：总结本研究的工作，说明其贡献，同时对未来的研究提出展望。