闻海虎教授团队在拓扑超导方面取得重要进展

拓扑超导是目前凝聚态物理领域中一个非常重要的研究方向。该方向受到广泛关注的主要原因是因为人们预期通过调控拓扑超导态,包括调控此状态下出现的马约拉纳费米子(Majorana),实现新一类的量子计算。而实现这个目标的关键一步是获得具有三维属性的拓扑超导态。根据理论上的定义和要求,拓扑超导态的超导能隙必须具有满足时间反演不变的奇宇称配对对称性。其典型特征之一是超导能隙具有二度对称性。自然界中已知的具有这种对称性的超导体非常稀少,通常在掺杂的拓扑绝缘体和拓扑绝缘体/超导异质结中实现。

南京大学物理学院闻海虎教授和杨欢教授等成功构造出Bi2Te3/ FeTe0.55Se0.45异质结,并利用扫描隧道显微镜对超导态进行了深入研究,首次直接观测到具有二度对称性的超导能隙和与之相对应的拉长的超导磁通。他们确定了超导能隙函数的具体形式,发现与理论预言的某一种拓扑超导态相吻合。该工作于2018年6月8日在线发表在Science子刊【Science Advances 4, eaat1084 (2018)】上。正如此文摘要中所说,该工作的另外一个重要意义是提供了一种容易制备出拓扑超导态的材料平台。

他们利用自己生长的高质量FeTe0.55Se0.45单晶作为基底,利用分子束外延技术,成功生长出高质量的Bi2Te3薄膜,从而构造出Bi2Te3/ FeTe0.55Se0.45异质结,而上层Bi2Te3薄膜由于邻近效应形成了超导。进一步在两个量子单元(2 QL)厚度的薄膜上进行了准粒子态密度和散射相干的测量,结果如图1所示。当测量能量低于0.5 mV时(图1A,B),没有明显的强度信息出现,说明超导能隙没有节点存在,能隙最小值在0.5 meV以上。当测量能量处于1.0 mV和1.5 mV之间时(图1C,D),在一对Γ-K方向首先出现了散射强度,此现象在强度随角度变化的图1G中可以更明显地观察到;随着测量能量的增加,其他方向的散射强度逐渐出现(图1E,F),最终形成一个完整的正常态六边形轮廓。对此合理的解释是超导能隙具有二度对称性,测量能量从零逐渐增加时,能隙小的某个Γ-K方向的准粒子首先被激发出来,当能量达到最大能隙值,所有的准粒子都被激发,形成正常态具有六度对称的费米面图样。通过分析可以得出结论,能隙最小值方向在样品的某一个Γ-K方向,能隙的二维和三维示意图如图1H,I所示。

 

图1. Bi2Te3/ FeTe0.55Se0.45异质结的准粒子相干散射结果。(A-F) 不同能量准粒子散射的傅里叶变换图;(G) 中间能量沿着费米面积分得到的散射强度随角度变化图;动量空间对应的能隙分布示意图(H)和能隙分布三维示意图(I)。

 

此外,通过施加垂直于样品基平面的磁场,他们观测到了拉长的磁通(图2A,B),而且沿着或者垂直拉长的方向测量得到的磁通束缚态有很大的区别(图2C,D)。上述结果和衬底FeTe0.55Se0.45单晶上观测的有很大差别,证明是临近效应诱导的表面Bi2Te3薄膜超导形成的磁通。磁通的形状能反应超导能隙结构特征,拉长的方向即对应能隙较小的方向,这与上面准粒子相干散射分析得到的能隙较小的某个Γ-K方向一致,进一步确认了二度对称性结构的超导能隙。很奇特的现象是在磁通拉长的方向,有一个稳定的零能模式存在,直到磁通的边缘。这被解释为拓扑超导磁通芯子中Majorana费米子的表现。

 

图2. 在异质结表面观测到拉长的磁通。(A) 拉长的磁通,磁通拉长方向为某一个原子晶格方向。(B) 观测到的由拉长磁通组成的磁通格子。(C,D) 沿着拉长磁通方向和垂直于该方向测量得到的隧道谱,可以发现能隙内磁通束缚态沿着两个方向有很大区别。

 

该工作是基于闻海虎教授团队最近几年来在铁基超导体机理研究的基础上进行的。 最近他们在FeTe0.55Se0.45材料中首次清晰地观测到了54年前理论上预言的磁通芯子中分离的磁通束缚态【Nature Communications 9, 970 (2018)】,并且证明了该铁基超导体具有很小的费米能。此外,他们利用扫描隧道显微镜的准粒子相干散射技术,深入研究了铁基超导体轨道选择的超导配对对称性,获得了系列重要成果【Nature Communications 7, 10565 (2016)和Nature Physics 14, 134 (2018)】。 这些系列工作对揭示铁基超导机理具有重要的推动作用。

该最新成果是闻海虎教授团队独立完成的,陈明扬同学为文章第一作者,闻海虎教授和杨欢教授为共同通讯作者,闻海虎协调了整个工作进展。此工作得到教育部一流学科建设,国家重点专项“量子调控项目”,自然科学基金委和2011计划“人工微结构科学与技术协同创新中心”的支持,在此表示感谢。

 

Reference:Mingyang Chen, Xiaoyu Chen, Huan Yang, Zengyi Du, Hai-Hu Wen. Superconductivity with twofold symmetry in Bi2Te3/FeTe0.55Se0.45 heterostructures. Science Advances 4, eaat 1084 (2018).

文章链接:http://advances.sciencemag.org/content/4/6/eaat1084 

 

(物理学院 科学技术处)