新型拓扑材料和拓扑相的探索是近年来凝聚态物理的热点方向。浙江大学许祝安和刘洋等人合作，在铟插层的过渡金属硫族化合物TaSe2中引入受晶格对称性保护的拓扑外尔环，同时保留了过渡金属硫族化合物的电荷密度波和超导性质。他们的研究发现：电荷密度波在低温下会使得其中一个拓扑外尔环打开能隙，而另外一个外尔环依然存在，并且具有对应的表面态，这表明体系中的拓扑电子态和电荷密度波可以在动量空间进行竞争，从而产生奇异的拓扑相。该研究为探索拓扑电子态与电荷密度波、超导电性之间的相互作用提供了一个有趣的材料平台，也为在过渡金属硫族化合物中寻找拓扑超导体提供了契机。该研究工作已在Science Bulletin 在线出版。
量子计算是当今世界的研究热点和科研攻关的重点。不同于传统的量子计算载体，全新的容错拓扑量子计算的巨大潜力强烈依赖于合适的物理载体，即拓扑超导体。拓扑超导体中具有非阿贝尔任意统计的马约拉纳零能模。最近几年马约拉纳零能模相继在一些可能的拓扑超导体中被发现，这为拓扑超导体的探索开辟了广阔的空间，具有重要的研究意义。新型超导体的探索本身就极具挑战性，而探索具有拓扑电子结构的拓扑超导体更加困难。浙江大学许祝安组合成了InxTaSe2，插入的铟原子层中5p轨道与过渡金属硫族化合物层的钽的5d轨道交叠，形成能带反转，从而产生拓扑节线态。在自旋轨道耦合的作用下，这个狄拉克型节线会劈裂成一对外尔型节线。图1显示了该材料不同温度下的丰富物相。在116 K和77 K时分别发生2´Ö3和2´2的公度电荷密度波转变。超导电性出现在0.91 K，上临界场在低温下偏离s波超导体的行为暗示着其可能具有非常规超导电性。![]()
图1 (a) InxTaSe2在透射电子显微镜下的原子结构。（b）扫描隧道显微镜实验显示，在116 K和77 K的电阻跳变分别对应2´Ö3和2´2的公度电荷密度波转变。0.91 K时出现超导转变。面外（c）和面内（d）超导转变电阻。（e）面内和面外的上临界场。（f）归一化后的上临界场显示其在低温下偏离s波的行为。图2显示了InxTaSe2理论计算的能带和角分辨光电子能谱观察到的能带。由于铟的缺位（x~0.6），该材料费米面的实际位置反倒处于外尔环附近。2´2的公度电荷密度波打开了靠K点外边的一个外尔环，而靠内部的外尔环依然存在，并且其对应的鼓膜表面态也没有受到影响，这表明电荷密度波与拓扑能带的相互作用具有很强的动量依赖性。理论上讲，存在电荷密度波的外尔半金属是可能的轴子绝缘体，而该体系中是否存在轴子电荷密度波还需要进一步的研究。![]()
图2 (a) InTaSe2的布里渊区。不考虑自旋轨道耦合（b）和考虑自旋轨道耦合（c）的能带结构图。（d）kx-ky费米面。（e-h）`G到`K方向上不同kz下的能量图。（i）`M-`G-`K方向的表面态计算结果。
该工作首次发现具有电荷密度波和拓扑节线态的超导体InxTaSe2。电荷密度波使得拓扑节线态打开能隙，为实现轴子绝缘体提供了可能；而同时具有拓扑节线态和超导的插层过渡金属硫族化合物为未来实现不同种类的拓扑超导体提供一个可能的材料体系。
Yupeng Li, Yi Wu, Chenchao Xu, Ningning Liu, Jiang Ma, Gang Yao, Yan Liu, Hua Bai, Xiaohui Yang, Linjun Li, Chao Cao,Yang Liu, Canhua Liu, Jinfeng Jia, and Zhu-An Xu, “Anisotropic gapping of topological Weyl rings in the charge-density-wave superconductor InxTaSe2”, Science Bulletin, 2021, 66(3), 243-249, DOI: 10.1016/j.scib.2020.09.007
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