中國科學家首次在外爾半金屬表面誘導出非常規超導

中國科學家首次在外爾半金屬TaAs表面用硬點接觸的方法誘導出非常規超導。 相關成果作為封面文章發表在Science Bulletin2017年第6期 [1]。

研究簡介

北京大學物理學院量子材料科學中心王健教授、危健研究員、劉雄軍研究員、賈爽研究員與浙江大學王勇教授等人合作， 首次在非超導的外爾半金屬TaAs晶體表面用針尖硬點接觸誘導出非常規超導， 分析表明可能是拓撲非平庸超導。 拓撲超導的邊界態呈現無能隙馬約拉納費米子或零能束縛態， 其中馬約拉納零能束縛態可被用於可容錯的拓撲量子計算， 是當前物質科學領域的重要前沿。 因此， 這一發現不僅為研究外爾半金屬中奇異超導態開闢了路徑， 也證實了針尖硬點接觸對拓撲材料物性的調製是探索潛在拓撲超導和馬約拉納費米子的新的實驗手段。

拓撲超導體體態為具有能隙的超導態， 其表面、邊緣或末端呈現為無能隙的馬約拉納費米子或零能非平庸束縛態。

理論研究表明馬約拉納零能模可作為重要載體用於拓撲量子計算， 也即可容錯的量子計算。 因此拓撲超導的研究具有重要的科學意義和應用前景。 國際上通常利用超導近鄰效應探尋拓撲超導， 也即通過超導體與拓撲絕緣體或強自旋軌道耦合的材料接觸， 來誘發並探測馬約拉納零能束縛態。 雖然這一方向的研究已取得了重要進展， 但相關實驗結果仍存在爭議， 還需更多的拓撲超導相關證據。 2016年， 北京大學王健與危健、劉雄軍、謝心澄、賈爽等人合作， 創新性地用針尖硬點接觸的實驗方法在非超導的拓撲狄拉克半金屬Cd3As2單晶表面誘導出可能的拓撲超導態， 為探索拓撲超導和馬約拉納費米子提供了新的思路 [2]。

外爾費米子是理論預測有著確定手性的無品質的狄拉克費米子， 自1929年起一直未曾在基本粒子中觀測到。 然而2015年外爾半金屬外爾點附近的低能激發被證實為外爾費米子， 此外， 外爾半金屬還具有拓撲非平庸的費米弧表面態， 若能超導， 則有較多可能成為拓撲超導體。

在Science Bulletin這篇封面文章中， 科研人員利用PtIr針尖對實驗證實的外爾半金屬TaAs單晶做針尖硬點接觸實驗時發現， 針尖與TaAs(001)晶面的接觸區域被調製成超導 [1]。 點接觸譜中零壓電導峰與雙電導峰和雙電導穀的共同特徵表明超導是非常規的， 進一步的理論分析揭示出該超導態極有可能繼承了TaAs單晶的非平庸拓撲性而成為拓撲超導態。

同時， 研究發現鎢針尖也可在外爾半金屬TaAs表面誘導出超導， 雖然鉑銥針尖誘導出的超導更強， 但硬度較差的金針尖無法誘導出超導。 這一發現表明硬點接觸在微米級接觸區域的類單軸壓力對誘導出超導起著關鍵性作用， 而且不同針尖材料， 即使硬度都很強， 誘導出超導的能力不同， 因此點接觸區域的摻雜效果或針尖樣品兩種異質材料的能帶情況也對超導出現起著重要作用。 這一工作不僅是首次在完全證實的外爾半金屬TaAs中實現了超導， 為探索拓撲超導體提供了一個新的平臺， 也為外爾費米子如何構成超導庫珀對以及外爾費米子與馬約拉納費米子兩種理論預測的新奇粒子的相互作用和轉化提供了研究平臺， 因此具有重要的科學意義。

圖：PtIr針尖在TaAs樣品表面的點接觸譜測量。 (a) 零偏壓點接觸電阻對溫度的依賴關係揭示了典型的超導相變。 插圖：點接觸測量示意圖。 (b) 溫度為0.5 K時， 不同垂直場下的歸一化微分電導譜。 深藍色曲線代表零場下的測量結果。 (c) 從0.5 K到6.0 K，特定溫度下的歸一化電導譜。 (d) 低溫區間不同溫度下零偏壓電導峰的演變。

此外，北京大學王健、危健、馮濟、劉雄軍等人組成的科研團隊對理論預測拓撲非平庸的Au2Pb晶體展開了系統研究。Au2Pb本身就是超導體，這與Cd3As2和TaAs不同。點接觸實驗表明，當採用較軟的金針尖時，點接觸得到的超導Tc與標準四極法測得的Au2Pb體超導的Tc一致。然而當採用硬的鎢針尖時，點接觸區域的超導Tc明顯得到了增強[3]。這一結果進一步證實了針尖點接觸實驗探測超導的可靠性，以及作為一種新的調製手段在誘導超導或增強超導方面的普適性。

點接觸實驗在超導的研究歷史中起過重要作用。但用針尖硬點接觸的方法，將非超導的拓撲材料變為超導，是北京大學科研團隊的原創性工作。TaAs實驗中硬點接觸針尖是非超導的，拓撲樣品也是非超導的，但接觸點區域變得超導，這就與傳統點接觸實驗採用的超導樣品和非超導點接觸電極情形不同，傳統的點接觸理論從未考慮過這種情形。因此這一發現有望吸引更多的理論和實驗科學家對此進行深入的研究。

北京大學王健教授、危健研究員、劉雄軍研究員為該文共同通訊作者。北京大學博士生王賀、王慧超與陳玉琴為文章共同一作。共同作者駱佳偉同學協助了點接觸譜的測量。實驗中用到的TaAs單晶由北京大學賈爽研究員和袁竹君同學製備。TaAs的透射電鏡表徵由浙江大學王勇教授和劉軍同學完成。

該研究獲國家重大科學研究計畫(2013CB934600, 2012CB927400, 2012CB921300, 2016YFA0301604)、高等學校博士學科點專項科研基金、華中科技大學脈衝強磁場開放課題基金(PHMFF2015002)、低維量子物理國家重點實驗室開放基金以及國家自然科學基金(11474008, 11574008)資助。

深藍色曲線代表零場下的測量結果。 (c) 從0.5 K到6.0 K，特定溫度下的歸一化電導譜。 (d) 低溫區間不同溫度下零偏壓電導峰的演變。

此外，北京大學王健、危健、馮濟、劉雄軍等人組成的科研團隊對理論預測拓撲非平庸的Au2Pb晶體展開了系統研究。Au2Pb本身就是超導體，這與Cd3As2和TaAs不同。點接觸實驗表明，當採用較軟的金針尖時，點接觸得到的超導Tc與標準四極法測得的Au2Pb體超導的Tc一致。然而當採用硬的鎢針尖時，點接觸區域的超導Tc明顯得到了增強[3]。這一結果進一步證實了針尖點接觸實驗探測超導的可靠性，以及作為一種新的調製手段在誘導超導或增強超導方面的普適性。

點接觸實驗在超導的研究歷史中起過重要作用。但用針尖硬點接觸的方法，將非超導的拓撲材料變為超導，是北京大學科研團隊的原創性工作。TaAs實驗中硬點接觸針尖是非超導的，拓撲樣品也是非超導的，但接觸點區域變得超導，這就與傳統點接觸實驗採用的超導樣品和非超導點接觸電極情形不同，傳統的點接觸理論從未考慮過這種情形。因此這一發現有望吸引更多的理論和實驗科學家對此進行深入的研究。

北京大學王健教授、危健研究員、劉雄軍研究員為該文共同通訊作者。北京大學博士生王賀、王慧超與陳玉琴為文章共同一作。共同作者駱佳偉同學協助了點接觸譜的測量。實驗中用到的TaAs單晶由北京大學賈爽研究員和袁竹君同學製備。TaAs的透射電鏡表徵由浙江大學王勇教授和劉軍同學完成。

該研究獲國家重大科學研究計畫(2013CB934600, 2012CB927400, 2012CB921300, 2016YFA0301604)、高等學校博士學科點專項科研基金、華中科技大學脈衝強磁場開放課題基金(PHMFF2015002)、低維量子物理國家重點實驗室開放基金以及國家自然科學基金(11474008, 11574008)資助。