中秋送祝福暨李刚教授【编辑精选】：拓扑超导体

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本期编辑：李刚教授

 

Science Bulletin编委，上海科技大学助理教授、研究员、博士生导师. 东北师范大学本科(2002年)、北京大学硕士(2005年)、德国波恩大学博士(2009年). 先后在德国、奥地利从事博士后工作. 2017年加入上海科技大学, 主要从事量子多体理论、强关联电子材料和拓扑量子材料的相关研究. 

凝聚态物理的核心内容是各种元激发和准粒子、及其遵从的统计规律. 从我们熟知的费米子和玻色子, 到更为有趣的遵从非阿贝尔统计的任意子, 人们在凝聚态物理中找到了越来越丰富的准粒子, 开辟了验证基本理论和实现功能性应用的新途径. 作为在基本粒子和暗物质领域中广受关注的马约拉纳费米子, 其被束缚在凝聚态拓扑超导体系中的零能模激发被广泛认为是实现拓扑量子计算机的关键. 本虚拟专题为大家带来Science Bulletin近期刊登的一些拓扑超导材料的物性研究工作, 以啖读者.  

Genuine electronic structure and superconducting gap structure in (Ba_0.6K_0.4)Fe₂As₂ superconductor

蔡永青, 黄建伟, 苗泰民, 吴定松, 高强, 李聪, 徐煜, 贾俊杰, 王庆艳, 黄元, 刘国东, 张丰丰, 张申金, 杨峰, 王志敏, 彭钦军, 许祖彦, 赵林, 周兴江

Science Bulletin, 2021, 66(18): 1839−1848, doi: 10.1016/j.scib.2021.05.015

精细的电子结构和超导能隙是理解铁基超导体超导机理的前提和基础. 然而, 即使对于被广泛研究的最佳掺杂的Ba_0.6K_0.4Fe₂As₂, 其电子结构和超导能隙仍然存在不少争议. 为了解决这些争议, 本文利用高分辨氦灯和激光角分辨光电子能谱对最佳掺杂的Ba_0.6K_0.4Fe₂As₂进行了详细的研究, 确定了Γ点和M点的精细电子结构和超导能隙. 超导态和正常态下M点附近, 作者观测到了一个小的电子型能带ε和一个M型的能带δ, 直接提取的超导能隙大小是5.5 meV, 远远小于之前所有的ARPES测量结果. 另外，作者直接观测到了超导态下和正常态下都存在Γ点和M点能带的复制, 确定了超导态下Γ点附近平带的起源, 是由M点ε能带复制到Γ点的能带和β能带的超导回弯2部分组成. 这些实验结果解决了关于最佳掺杂Ba_0.6K_0.4Fe₂As₂的电子结构和超导能隙的一系列争议, 这对于检验并建立理论来理解铁基超导体的超导机理提供了关键的信息.

Observation of robust edge superconductivity in Fe(Se,Te) under strong magnetic perturbation

姜达, 潘银萍, 王世源, 林一石, Connor M. Holland, John R. Kirtley, 陈仙辉, 赵俊, 陈垒, 尹少禹, 王熠华

Science Bulletin, 2021, 66(5): 425−432, doi: 10.1016/j.scib.2020.10.006

铁硫族超导体Fe(Se,Te)由于具有较强自旋轨道耦合而被认为可能存在拓扑超导特性. 对于具有多余磁性杂质的Fe_1+y(Se,Te), 之前的实验发现过量Fe的自旋磁矩导致配对电子自旋关联的破坏, 从而大幅度压制了块材的超流密度. 通过扫描超导量子干涉仪(sSQUID)精密探测这样的Fe_1+y(Se,Te)的局部抗磁特性, 本文发现铁掺杂对超导的压制主要出现在块材内部, 而边界的超导性则无明显减弱. 测量结果展示了边界超导与铁不过量Fe(Se,Te)几乎拥有相等的超导转变温度, 以及超流密度和超导电流在边界的集中分布. 通过排除外界因素的影响, 本文发现这样的强健边界超导是Fe(Se,Te)的本征性质, 并可能与其拓扑超导性相关. 该文还使用海森堡自旋模型分析了反铁磁自旋关联在边界与体的差别, 并为反铁磁关联作为铁基超导微观机制提供了新的研究线索.

Anisotropic gapping of topological Weyl rings in the charge-density-wave superconductor In_xTaSe₂

李宇鹏, 吴毅, 徐陈超, 刘宁宁, 马将, 吕柏江, 姚钢, 刘艳, 白桦, 杨小慧, 乔磊, 李妙聪, 李林军, 邢晖, 黄耀波, 马均章, 史明, 曹超, 刘洋, 刘灿华, 贾金锋, 许祝安

Science Bulletin, 2021, 66(3): 243−249, doi: 10.1016/j.scib.2020.09.007

新型拓扑材料和拓扑相的探索是近年来凝聚态物理中的热点方向. 本文发现铟插层的过渡金属硫族化合物In_xTaSe₂ (112体系)具有两个外尔环, 以及电荷密度波(CDW)和超导电性共存的特点. 在x = 0.58的样品中, 发现在116和77 K温度以下具有2× 3和2×2的公度CDW, 这可以被电阻率、比热和扫描隧道显微镜等测量证实. 角分辨光电子能谱测量发现2×2 CCDW会打开其中一个外尔环的能隙, 而另一个外尔环仍然存在, 且具有理论预言的“drumhead”型表面态. 另外, T_c = 1 K的超导电性和低温偏离s波的临界场行为表明这个材料很可能是拓扑超导体, 这为探索拓扑超导电性提供了新体系. 

Evidence for nematic superconductivity of topological surface states in PbTaSe₂

乐天, 孙悦, 金汇可, 车利强, 尹礼长, 李洁, 庞贵明, 徐春强, 赵凌霄, Shunichiro Kittaka, Toshiro Sakakibara, Kazushige Machida, Raman Sankar, 袁辉球, 陈根富, 许晓峰, 李世燕, 周毅, 路欣

Science Bulletin, 2020, 65(16): 1349–1355, doi: 10.1016/j.scib.2020.04.039

通过平面内磁场转角的电阻和点接触谱的测量, 作者发现拥有Dirac节点线的拓扑材料PbTaSe₂中超导能隙存在明显的二重对称行为, 低于PbTaSe₂六角晶格结构的对称性, 表明向列超导电性的存在. 这种二重对称性会一直持续到表面超导的上临界场H^R_c2, 尽管体超导在体上临界场以上已经被抑制. 该结果表明二重对称行为起源于表面的向列超导电性. 同时, 在测量的精度范围内, 磁场转角比热的数据也并没有观测到体超导的各向异性. 值得注意的是, PbTaSe₂的向列超导电性与拓扑超导候选材料Cu_xBi₂Se₃有所不同, 后者的二重对称行为来自于体态超导. 结合理论分析, 本文认为PbTaSe₂的向列超导电性可能起源于其拓扑表面态形成的拓扑超导态而不是体态超导的近邻效应, 该理论预言PbTaSe₂的表面超导会破坏时间反演对称. PbTaSe₂的系统研究有助于进一步探索向列超导电性与拓扑超导之间的关系. 

Enhancement of superconductivity inorganic-inorganic hybrid topological materials

张浩雄, 阿瓦拜克力.肉苏里, 沈胜春, 张柯楠, 王冲, 罗来鹏, 王吉章, 吴扬, 徐勇, 段文晖, 姚宏, 于浦, 周树云

Science Bulletin, 2020, 65(3): 188–193, doi: 10.1016/j.scib.2019.11.021

使拓扑材料具有超导电性是实现拓扑超导的一个重要途径. T_d相的MoTe₂和WTe₂不仅具有新颖的拓扑性质, 其物理特性紧密依赖于层间耦合作用的强弱. 本工作通过一种新颖的实验方法, 在MoTe₂和WTe₂单晶样品中插入离子液体的有机阳离子, 制备出层间距可调、性质稳定且超导增强的有机-无机复合样品. 插层后的MoTe₂样品属于三维弱拓扑绝缘体, 超导转变温度从0.25 K大幅提高到了7 K; 而插层后WTe₂的超导转变温度提高到了具有量子自旋霍尔效应的单层WTe₂的2.8倍(2.3 K). 本工作通过插层离子液体的有机阳离子到MoTe₂和WTe₂样品中, 实现对其拓扑及超导性质的双层调控, 为后续研究拓扑超导、实现马约拉纳零模提供了新的机遇. 另外, 这一新方法具有普适性, 可以广泛适用于各种层状材料, 这将为在层状材料中探索和实现更多新颖物理性质提供便利. 

Ferromagnetic tip induced unconventional superconductivity in Weyl semimetal

王贺, 何映萍, 刘艺苑, 袁竹君, 贾爽, 马雷, 刘雄军, 王健

Science Bulletin, 2020, 65(1): 21–26, doi: 10.1016/j.scib.2019.11.010

拓扑超导体由于具有独特的物理性质和在量子计算领域具有潜在应用价值而成为凝聚态物理领域的研究热点之一. 而针尖诱导超导实验技术是研究基于拓扑材料的拓扑超导电性的重要实验手段. 在本工作中, 作者使用铁磁性金属针尖在外尔半金属TaAs 单晶上, 形成类似磁性外尔半金属的异质结构, 并成功地诱导出超导电性. 量子振荡、铁磁超导共存和非常规超导点接触谱型三方面实验数据的分析表明铁磁针尖诱导的超导态具有非常规超导电性, 结合理论模型, 作者给出了拓扑超导的证据. 这一工作丰富和完善了拓扑材料中针尖诱导拓扑超导的实验方法, 并为拓扑超导方向提供了新的研究视角.