再下一城：研究人員發(fā)現(xiàn)鐵基超導體表面拓撲超導現(xiàn)象 | 前沿
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撰文 | 呂浩然
責編 | 李曉明
北京時間3月9號，《科學》（Science）雜志在線發(fā)表了中科院物理所丁洪與東京大學（固體材料研究所）、普林斯頓大學、布魯克海文實驗室、南京大學等合作團隊的一項研究成果。研究人員利用超高分辨率角光電子能譜儀，在鐵基超導體FeTe0.55Se0.45（鐵碲0.55硒0.45）中，發(fā)現(xiàn)自旋軌道鎖定的拓撲表面態(tài)。該拓撲表面態(tài)呈狄拉克錐（Dirac-cone）色散分布，并穿過費米能級。
值得一提的是，在體相超導轉(zhuǎn)變溫度（Tc~14.5 K）以下，狄拉克點不打開能隙，拓撲表面態(tài)穩(wěn)定存在。與此同時，在費米能級處拓撲表面態(tài)發(fā)生各向同性超導電子配對，形成了理論預言的無自旋的等效p波超導電性，在單個材料的表面實現(xiàn)了二維拓撲超導體。該材料相對較高的超導轉(zhuǎn)變溫度，對提高馬約拉納零能模的“存活溫度”具有重要啟示意義。
馬約拉納零能模是拓撲超導體中奇異的準粒子激發(fā)，服從非阿貝爾統(tǒng)計（“先交換1、2 再交換2、3”與“先交換2、3 再交換1、2”的操作不等價），可用于構(gòu)建拓撲量子比特。與傳統(tǒng)的量子比特相比，拓撲量子比特由馬約拉納零能模編織操作的時間線紐結(jié)決定，對外界局域的擾動不敏感。因此具有豐富的潛在應用價值，可以用來構(gòu)筑高容錯的量子計算機。
拓撲超導可以在本征的p波超導體中實現(xiàn)，如理論學家預言的P波超導“候選人”Sr2RuO4。然而，本征p波超導體在自然界十分稀有，并且對雜質(zhì)非常敏感，這使得實驗驗證拓撲超導性質(zhì)困難重重，極大地限制了其潛在應用。理論學家Charles Kane和傅亮在2008年首次提出利用拓撲絕緣體和s波超導體的異質(zhì)節(jié)，通過超導近鄰效應誘導自旋非簡并的拓撲表面態(tài)實現(xiàn)平庸s波超導電性配對，從而等效于無自旋的p波超導體。這個革命性的理論設想開啟了一場在“人工p波超導”異質(zhì)節(jié)中尋找馬約拉納零能模的國際競賽。
2014年，此次論文通訊作者之一，中國科學院物理研究所研究員、拓撲量子計算中心成員丁洪和他的博士研究生張鵬意識到一個新途徑，通過“動量空間的超導近鄰效應”在多能帶的單質(zhì)樣品中實現(xiàn)拓撲超導。2008年出現(xiàn)的鐵基超導正是一個多能帶的超導體，丁洪和合作者在2008年首次在鐵基超導體中觀測到多能帶的s波超導能能隙。他們在鐵基超導體的多年研究經(jīng)驗為此次突破打下了基礎。
在此次研究中，丁洪和他的合作者又成功測量了狄拉克錐型拓撲表面狀態(tài)。
?圖1
在圖A中可以清晰地看到，電子能帶在零能以下出現(xiàn)了一個明顯的交叉，并且在交叉點以下可以觀察到一個“錐形”。丁洪告訴《知識分子》，“我們研究組4年前就觀測到這個‘錐形’ 交叉的最初證據(jù)，但不是很清晰。當時文章的第一作者就是我們組的研究生張鵬，之后我們組和物理所的方忠理論組合作，證明了這個樣品具有拓撲能帶反轉(zhuǎn)。張鵬一年多前去東京大學的Shik Shin研究組做博士后，我們繼續(xù)合作，利用超高分辨的深紫外激光做光源，終于清晰觀測到這個‘錐形’ 交叉。” 張鵬是論文的第一作者和三位通訊作者之一，Shik Shin也是通訊作者。
隨后，他們進行了高分辨率的自旋分辨實驗，成功地觀測到這個表面態(tài)具有自旋極化，充分地證明了這個能帶是一個拓撲表面態(tài)。更重要的是他們成功觀測到這個拓撲表面態(tài)在超導溫度下打開了一個s波超導能隙，從而實現(xiàn)了等效的p波拓撲超導。
至此，此次工作證實拓撲表面態(tài)存在于FeTe0.55Se0.45中，并在超導轉(zhuǎn)變溫度以下進入拓撲超導態(tài)。他們預言，當施加一個外部磁場時，磁通渦旋的兩端（圖2A所示）存在一對馬約拉納零能模。此外，他們還預言：磁疇沉積在表面上，當疇下材料中磁性相互作用超越超導電性的影響時，在疇邊界上會存在一維的手性馬約拉納費米子。
?圖2
談到此次研究的意義，丁洪表示：“此次在鐵基超導表面發(fā)現(xiàn)的拓撲超導現(xiàn)象，應該容易在相對較高溫度下產(chǎn)生馬約拉納零能模和馬約拉納費米子。此外，簡單的單晶材料及其它特性可能會使得Fe（Te, Se）成為研究馬約拉納零能模的一個重要方向，并可能進一步推動量子計算研究的發(fā)展?！?strong style="color: rgb(115, 115, 115);font-size: 14px;text-indent: 28px;white-space: normal;background-color: rgb(248, 248, 248);">
針對此次研究，《知識分子》聯(lián)系到了中國科學院大學卡弗里理論科學研究所所長張富春進行評論：
《科學》 雜志最新發(fā)表了中科院物理所丁洪團隊與日本固體物理所等合作的文章，報道了在鐵基超導表面發(fā)現(xiàn)的拓撲超導性。這是一個重要和有趣的發(fā)現(xiàn)。拓撲超導可以產(chǎn)生馬約納拉零能模，是研制拓撲量子計算的基本構(gòu)件。鐵基超導轉(zhuǎn)變溫度高、超導能隙大，其產(chǎn)生的馬約納拉零能模不易“量子中毒”。丁洪等人的這一發(fā)現(xiàn)為量子計算的探索提供了一個全新的平臺。
* 注：感謝中科院物理所孔令元對本文的幫助。
制版編輯：黃玉瑩 |
