【引言】

拓?fù)涑瑢?dǎo)體中可以存在遵循非阿貝爾統(tǒng)計的鐵拓?fù)漶R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?fù)淞孔佑嬎悖瑢?dǎo)體可以克服其他量子計算中的表面退相干和噪聲問題。拓?fù)涑瑢?dǎo)體的超導(dǎo)材料一個例子是p波超導(dǎo)體，然而這種超導(dǎo)體對于樣品中的研究無序非常敏感，其邊界是鐵拓?fù)浞翊嬖隈R約拉納束縛態(tài)仍然難以確認(rèn)；另一種方法是在具有自旋螺旋結(jié)構(gòu)的能帶上實現(xiàn)s波超導(dǎo)，這種方法一般利用復(fù)雜的基超異質(zhì)結(jié)構(gòu)，也使得進一步的導(dǎo)體探索和應(yīng)用具有挑戰(zhàn)性。

【成果簡介】

近日，表面東京大學(xué)物性研究所的超導(dǎo)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(dǎo)體的表面上觀測到的拓?fù)涑瑢?dǎo)現(xiàn)象）的文章，研究人員通過使用高分辨率的鐵拓?fù)浣欠直婀怆娮幽茏V發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)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(jié)構(gòu)，并且在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc以下打開s波超導(dǎo)能隙。導(dǎo)體他們的研究表明FeTe_0.55Se_0.45的表面上存在二維拓?fù)涑瑢?dǎo)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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比較高的平臺。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1：FeTe_0.5Se_0.5的晶體結(jié)構(gòu)和拓?fù)涑瑢?dǎo)性

A: 晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的第一性原理計算結(jié)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(dǎo)狀態(tài)，內(nèi)部是平庸的超導(dǎo)態(tài)，表面上是拓?fù)涑瑢?dǎo)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(biāo)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)

A: 費米面上電子自旋的螺旋結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)能隙在倒空間的大小變化。

圖5：拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)和樣品表面上的馬約拉納準(zhǔn)粒子激發(fā)

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

B: 利用磁通渦旋和磁疇產(chǎn)生馬約拉納態(tài)。

【小結(jié)】

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(jié)構(gòu)。當(dāng)樣品進入超導(dǎo)態(tài)后，通過帶間散射在樣品表面上誘導(dǎo)了s波超導(dǎo)電性。由于表面上電子自旋的螺旋結(jié)構(gòu)，表面態(tài)的超導(dǎo)是拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)。當(dāng)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(dǎo)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?fù)涑瑢?dǎo)電性，產(chǎn)生馬約拉納束縛態(tài)和費米子就會相當(dāng)容易。由于樣品容易制備，且超導(dǎo)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?fù)淞孔佑嬎愕难芯俊?/p>

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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(dǎo)和拓?fù)湮镔|(zhì)領(lǐng)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(dǎo)體的s波能隙，相關(guān)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(xué)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(xué)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(xué)術(shù)組楊超整理編輯。

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