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再下一城:丁洪等发现铁基超导体表面拓扑超导现象

撰文 | 吕浩然

责编 | 李晓明

北京时间3月9日,《科学》(Science)杂志在线发表了东京大学(固体物理中心)、普林斯顿大学与南京大学及中科院物理所合作团队的一项研究成果。研究人员利用超高分辨率角光电子能谱仪,在铁基超导体FeTe0.55Se0.45(铁碲0.55硒0.45)中,发现自旋轨道锁定的拓扑表面态。该拓扑表面态呈狄拉克锥(Dirac-cone)色散分布,并穿过费米能级。

值得一提的是,在体相超导转变温度(Tc~14.5 K)以下,狄拉克点不打开能隙,拓扑表面态稳定存在。与此同时,在费米能级处拓扑表面态发生各向同性超导电子配对,形成了理论预言的无自旋的等效p波超导电性,在单个材料的表面实现了二维拓扑超导体。该材料相对较高的超导转变温度,对提高马约拉纳零能模的“存活温度”具有重要启示意义。

马约拉纳零能模是拓扑超导体中奇异的准粒子激发,服从非阿贝尔统计(“先交换1、2 再交换2、3”与“先交换2、3 再交换1、2”的操作不等价),可用于构建拓扑量子比特。与传统的量子比特相比,拓扑量子比特由马约拉纳零能模编织操作的时间线纽结决定,对外界局域的扰动不敏感。因此具有丰富的潜在应用价值,可以用来构筑高容错的量子计算机。

拓扑超导可以在本征的p波超导体中实现,如理论学家预言的P波超导“候选人”Sr2RuO4。然而,本征p波超导体在自然界十分稀有,并且对杂质非常敏感,这使得实验验证拓扑超导性质困难重重,极大地限制了其潜在应用。理论学家Charles Kane和傅亮在2008年首次提出利用拓扑绝缘体和s波超导体的异质节,通过超导近邻效应诱导自旋非简并的拓扑表面态实现平庸s波超导电性配对,从而等效于无自旋的p波超导体。这个革命性的理论设想开启了一场在“人工p波超导”异质节中寻找马约拉纳零能模的国际竞赛。

2014年,此次论文通讯作者之一,中国科学院物理研究所研究员丁洪和他的博士研究生张鹏意识到一个新途径,通过“动量空间的超导近邻效应”在多能带的单质样品中实现拓扑超导。2008年出现的铁基超导正是一个多能带的超导体,丁洪和合作者在2008年首次在铁基超导体中观测到多能带的s波超导能能隙。他们在铁基超导体的多年研究经验为此次突破打下了基础。

在此次研究中,丁洪和他的合作者又成功测量了狄拉克锥型拓扑表面状态。

在图A中可以清晰地看到,电子能带在零能以下出现了一个明显的交叉,并且在交叉点以下可以观察到一个“锥形”。丁洪告诉《知识分子》,“我们研究组4年前就观测到这个‘锥形’ 交叉的最初证据,但不是很清晰。当时文章的第一作者就是我们组的研究生张鹏,之后我们组和物理所的方忠理论组合作,证明了这个样品具有拓扑能带反转。张鹏一年多前去东京大学的Shik Shin研究组做博士后,我们继续合作,利用超高分辨的深紫外激光做光源,终于清晰观测到这个‘锥形’ 交叉。” 张鹏是论文的第一作者和三位通讯作者之一,Shik Shin也是通讯作者。

随后,他们进行了高分辨率的自旋分辨实验,成功地观测到这个表面态具有自旋极化,充分地证明了这个能带是一个拓扑表面态。更重要的是他们成功观测到这个拓扑表面态在超导温度下打开了一个s波超导能隙,从而实现了等效的p波拓扑超导。

至此,此次工作证实拓扑表面态存在于FeTe0.55Se0.45中,并在超导转变温度以下进入拓扑超导态。他们预言,当施加一个外部磁场时,磁通涡旋的两端(图2A所示)存在一对马约拉纳零能模。此外,他们还预言:磁畴沉积在表面上,当畴下材料中磁性相互作用超越超导电性的影响时,在畴边界上会存在一维的手性马约拉纳费米子。

谈到此次研究的意义,丁洪表示:“此次在铁基超导表面发现的拓扑超导现象,应该容易在相对较高温度下产生马约拉纳零能模和马约拉纳费米子。此外,简单的单晶材料及其它特性可能会使得Fe(Te, Se)成为研究马约拉纳零能模的一个重要方向,并可能进一步推动量子计算研究的发展。”

针对此次研究,《知识分子》联系到了中国科学院大学卡弗里理论科学研究所所长张富春进行评论:
 
《科学》 杂志最新发表了中科院物理所丁洪团队与日本固体物理所等合作的文章,报道了在铁基超导表面发现的拓扑超导性。这是一个重要和有趣的发现。拓扑超导可以产生马约纳拉零能模,是研制拓扑量子计算的基本构件。铁基超导转变温度高、超导能隙大,其产生的马约纳拉零能模不易“量子中毒”。丁洪等人的这一发现为量子计算的探索提供了一个全新的平台。
 
* 注:感谢中科院物理所孔令元对本文的帮助。
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