【引言】

拓撲超導體中可以存在遵循非阿貝爾統(tǒng)計的鐵拓撲馬約拉納束縛態(tài)。利用馬約拉納束縛態(tài)的基超非阿貝爾性質(zhì)，可以用來執(zhí)行拓撲量子計算，導體可以克服其他量子計算中的表面退相干和噪聲問題。拓撲超導體的超導材料一個例子是p波超導體，然而這種超導體對于樣品中的研究無序非常敏感，其邊界是鐵拓撲否存在馬約拉納束縛態(tài)仍然難以確認；另一種方法是在具有自旋螺旋結構的能帶上實現(xiàn)s波超導，這種方法一般利用復雜的基超異質(zhì)結構，也使得進一步的導體探索和應用具有挑戰(zhàn)性。

【成果簡介】

近日，表面東京大學物性研究所的超導材料張鵬、辛埴團隊和中科院物理研究所的研究丁洪團隊合作在Science發(fā)表了題為Observation of topological superconductivity on the surface of an iron-based superconductor（在一個鐵基超導體的表面上觀測到的拓撲超導現(xiàn)象）的文章，研究人員通過使用高分辨率的鐵拓撲角分辨光電子能譜發(fā)現(xiàn)鐵基超導體FeTe_1-xSe_x在費米能級處具有狄拉克錐型能帶，這個能帶的基超電子自旋具有螺旋結構，并且在超導轉(zhuǎn)變溫度Tc以下打開s波超導能隙。導體他們的研究表明FeTe_0.55Se_0.45的表面上存在二維拓撲超導態(tài)，這為實現(xiàn)馬約拉納束縛態(tài)提供了一個制備簡單且超導轉(zhuǎn)變溫度比較高的平臺。

【圖文導讀】

圖1：FeTe_0.5Se_0.5的晶體結構和拓撲超導性

A: 晶體結構和布里淵區(qū)示意圖；

B: 樣品的費米面示意圖；

C-D: 不同方向能帶結構的第一性原理計算結果；

E: 計算得到的（001）面的表面電子能譜；

F: 樣品內(nèi)部和表面的不同超導狀態(tài)，內(nèi)部是平庸的超導態(tài)，表面上是拓撲超導態(tài)。

圖2 ：樣品表面上的狄拉克錐型能帶

A: 用p偏振7-eV的激光觀測到的沿著?M方向的能帶色散；

B: 用曲率方法銳化后的能帶， 可以清楚的看到狄拉克錐形能帶；

C: 用s偏振光觀測到的?M方向的能帶色散；

D: 放大區(qū)域的能量分布曲線，黑色和藍色標記跟蹤能帶的位置；

E: 放大區(qū)域的曲率銳化圖；

F: 整體的能帶結構，虛線框中的數(shù)據(jù)經(jīng)過了曲率銳化，底部拋物線是樣品內(nèi)部的價帶，狄拉克錐型能帶是樣品表面的能帶。

圖3：表面上電子自旋的螺旋結構

A: 費米面上電子自旋的螺旋結構示意圖 ；

B-C: 在Cut1處的自旋分辨的能量分布曲線和自旋極化曲線；

D-E: 在Cut2處的自旋分辨的能量分布曲線和自旋極化曲線。

F: 高分辨儀器和自旋分辨儀器測到的能量分布曲線的比較。

圖4：表面能帶的s波超導能隙

A: 表面態(tài)的電子在不同溫度下的能量分布曲線；

B: A中所示曲線的對稱化曲線；

C: 超導能隙隨溫度變化的曲線；

D: 在2.4K下記錄的費米面上不同位置的能量分布曲線；

E: 超導能隙在倒空間的大小變化。

圖5：拓撲超導態(tài)和樣品表面上的馬約拉納準粒子激發(fā)

A: Fe Te_0.55Se_0.45表面和體內(nèi)的不同超導電性；

B: 利用磁通渦旋和磁疇產(chǎn)生馬約拉納態(tài)。

【小結】

該團隊發(fā)現(xiàn)FeTe_0.55Se_0.45表面上存在狄拉克錐型能帶，能帶的電子自旋具有螺旋結構。當樣品進入超導態(tài)后，通過帶間散射在樣品表面上誘導了s波超導電性。由于表面上電子自旋的螺旋結構，表面態(tài)的超導是拓撲超導態(tài)。當施加外部磁場時，一對馬約拉納束縛態(tài)會出現(xiàn)在旋渦的兩端。這個現(xiàn)象已經(jīng)被掃描隧道顯微鏡觀測到。此外，如果在表面上沉積磁疇，磁性會破壞疇內(nèi)的超導性，那么沿著磁疇邊緣就會出現(xiàn)巡游的馬約拉納費米子。由于在單晶樣品表面上出現(xiàn)了拓撲超導電性，產(chǎn)生馬約拉納束縛態(tài)和費米子就會相當容易。由于樣品容易制備，且超導轉(zhuǎn)變溫度較高，F(xiàn)eTe_0.55Se_0.45將成為研究馬約拉納束縛態(tài)的絕佳平臺，并且可能進一步推動拓撲量子計算的研究。

文獻鏈接：Observation of topological superconductivity on the surface of an iron-based superconductor（Science,2018, DOI: 10.1126/science.aan4596）

【團隊介紹】

這項工作是由中科院物理研究所丁洪教授和東京大學物性研究所辛埴教授兩個研究組合作完成的。張鵬是從丁洪老師組博士畢業(yè)，到辛埴教授組做博士后研究員，是這個項目的第一完成人和通訊作者。

實驗過程得到了東京大學矢治光一郎，橋本嵩廣，大田由一，近藤猛和岡崎浩三的幫助。理論部分是由普林斯頓大學的王志俊博士完成的，單晶樣品來自于布魯克海文國家實驗室的顧根大教授和南京大學的溫錦生教授。張鵬、中科院物理研究所丁洪教授和東京大學辛埴教授共同監(jiān)督了整個項目，是文章的通訊作者。

工作匯總和優(yōu)質(zhì)文獻推薦

丁洪教授組在鐵基超導和拓撲物質(zhì)領域都有重大發(fā)現(xiàn)，丁老師是第一個從實驗上測定了鐵基超導體的s波能隙，相關文章發(fā)表在epl上，引用次數(shù)非常高。

http://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/83/47001/meta

丁老師組也是第一個從實驗上發(fā)現(xiàn)Weyl費米子和三重簡并費米子。其中Weyl費米子是美國物理學會125年（APS 125 years）的代表性作品之一。

https://journals.aps.org/125years/2011-physical-review-x

三重簡并費米子入選了2017年中國科學十大進展

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/2/403853.shtm

辛埴教授組有世界上分辨率最高的角分辨光電子能譜，之前有多篇文章發(fā)表在Science雜志上

http://science.sciencemag.org/content/332/6029/564

http://science.sciencemag.org/content/337/6100/1314

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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