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?圖片來源：Pixabay

撰文 | 呂浩然

責(zé)編 | 李曉明

北京時(shí)間3月9號(hào)，《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)表了中科院物理所丁洪與東京大學(xué)（固體材料研究所）、普林斯頓大學(xué)、布魯克海文實(shí)驗(yàn)室、南京大學(xué)等合作團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究成果。研究人員利用超高分辨率角光電子能譜儀，在鐵基超導(dǎo)體FeTe0.55Se0.45（鐵碲0.55硒0.45）中，發(fā)現(xiàn)自旋軌道鎖定的拓?fù)浔砻鎽B(tài)。該拓?fù)浔砻鎽B(tài)呈狄拉克錐（Dirac-cone）色散分布，并穿過費(fèi)米能級(jí)。

值得一提的是，在體相超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc~14.5 K）以下，狄拉克點(diǎn)不打開能隙，拓?fù)浔砻鎽B(tài)穩(wěn)定存在。與此同時(shí)，在費(fèi)米能級(jí)處拓?fù)浔砻鎽B(tài)發(fā)生各向同性超導(dǎo)電子配對(duì)，形成了理論預(yù)言的無自旋的等效p波超導(dǎo)電性，在單個(gè)材料的表面實(shí)現(xiàn)了二維拓?fù)涑瑢?dǎo)體。該材料相對(duì)較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，對(duì)提高馬約拉納零能模的“存活溫度”具有重要啟示意義。

馬約拉納零能模是拓?fù)涑瑢?dǎo)體中奇異的準(zhǔn)粒子激發(fā)，服從非阿貝爾統(tǒng)計(jì)（“先交換1、2 再交換2、3”與“先交換2、3 再交換1、2”的操作不等價(jià)），可用于構(gòu)建拓?fù)淞孔颖忍?。與傳統(tǒng)的量子比特相比，拓?fù)淞孔颖忍赜神R約拉納零能模編織操作的時(shí)間線紐結(jié)決定，對(duì)外界局域的擾動(dòng)不敏感。因此具有豐富的潛在應(yīng)用價(jià)值，可以用來構(gòu)筑高容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)。

拓?fù)涑瑢?dǎo)可以在本征的p波超導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)，如理論學(xué)家預(yù)言的P波超導(dǎo)“候選人”Sr2RuO4。然而，本征p波超導(dǎo)體在自然界十分稀有，并且對(duì)雜質(zhì)非常敏感，這使得實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證拓?fù)涑瑢?dǎo)性質(zhì)困難重重，極大地限制了其潛在應(yīng)用。理論學(xué)家Charles Kane和傅亮在2008年首次提出利用拓?fù)浣^緣體和s波超導(dǎo)體的異質(zhì)節(jié)，通過超導(dǎo)近鄰效應(yīng)誘導(dǎo)自旋非簡并的拓?fù)浔砻鎽B(tài)實(shí)現(xiàn)平庸s波超導(dǎo)電性配對(duì)，從而等效于無自旋的p波超導(dǎo)體。這個(gè)革命性的理論設(shè)想開啟了一場在“人工p波超導(dǎo)”異質(zhì)節(jié)中尋找馬約拉納零能模的國際競賽。

2014年，此次論文通訊作者之一，中國科學(xué)院物理研究所研究員、拓?fù)淞孔佑?jì)算中心成員丁洪和他的博士研究生張鵬意識(shí)到一個(gè)新途徑，通過“動(dòng)量空間的超導(dǎo)近鄰效應(yīng)”在多能帶的單質(zhì)樣品中實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)。2008年出現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)正是一個(gè)多能帶的超導(dǎo)體，丁洪和合作者在2008年首次在鐵基超導(dǎo)體中觀測到多能帶的s波超導(dǎo)能能隙。他們?cè)阼F基超導(dǎo)體的多年研究經(jīng)驗(yàn)為此次突破打下了基礎(chǔ)。

在此次研究中，丁洪和他的合作者又成功測量了狄拉克錐型拓?fù)浔砻鏍顟B(tài)。

?圖1

在圖A中可以清晰地看到，電子能帶在零能以下出現(xiàn)了一個(gè)明顯的交叉，并且在交叉點(diǎn)以下可以觀察到一個(gè)“錐形”。丁洪告訴《知識(shí)分子》，“我們研究組4年前就觀測到這個(gè)‘錐形’ 交叉的最初證據(jù)，但不是很清晰。當(dāng)時(shí)文章的第一作者就是我們組的研究生張鵬，之后我們組和物理所的方忠理論組合作，證明了這個(gè)樣品具有拓?fù)淠軒Х崔D(zhuǎn)。張鵬一年多前去東京大學(xué)的Shik Shin研究組做博士后，我們繼續(xù)合作，利用超高分辨的深紫外激光做光源，終于清晰觀測到這個(gè)‘錐形’ 交叉?！?張鵬是論文的第一作者和三位通訊作者之一，Shik Shin也是通訊作者。

隨后，他們進(jìn)行了高分辨率的自旋分辨實(shí)驗(yàn)，成功地觀測到這個(gè)表面態(tài)具有自旋極化，充分地證明了這個(gè)能帶是一個(gè)拓?fù)浔砻鎽B(tài)。更重要的是他們成功觀測到這個(gè)拓?fù)浔砻鎽B(tài)在超導(dǎo)溫度下打開了一個(gè)s波超導(dǎo)能隙，從而實(shí)現(xiàn)了等效的p波拓?fù)涑瑢?dǎo)。

至此，此次工作證實(shí)拓?fù)浔砻鎽B(tài)存在于FeTe0.55Se0.45中，并在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下進(jìn)入拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)。他們預(yù)言，當(dāng)施加一個(gè)外部磁場時(shí)，磁通渦旋的兩端（圖2A所示）存在一對(duì)馬約拉納零能模。此外，他們還預(yù)言：磁疇沉積在表面上，當(dāng)疇下材料中磁性相互作用超越超導(dǎo)電性的影響時(shí)，在疇邊界上會(huì)存在一維的手性馬約拉納費(fèi)米子。

?圖2

談到此次研究的意義，丁洪表示：“此次在鐵基超導(dǎo)表面發(fā)現(xiàn)的拓?fù)涑瑢?dǎo)現(xiàn)象，應(yīng)該容易在相對(duì)較高溫度下產(chǎn)生馬約拉納零能模和馬約拉納費(fèi)米子。此外，簡單的單晶材料及其它特性可能會(huì)使得Fe（Te, Se）成為研究馬約拉納零能模的一個(gè)重要方向，并可能進(jìn)一步推動(dòng)量子計(jì)算研究的發(fā)展?！?strong style="color: rgb(115, 115, 115);font-size: 14px;text-indent: 28px;white-space: normal;background-color: rgb(248, 248, 248);">

* 注：感謝中科院物理所孔令元對(duì)本文的幫助。

制版編輯：黃玉瑩 |