近日，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授修發(fā)賢課題組在拓撲半金屬Cd3As2與超導(dǎo)的異質(zhì)結(jié)中觀察到了Cd3As2的表面超導(dǎo)態(tài)。5月17日，相關(guān)研究成果以《由近鄰效應(yīng)產(chǎn)生的狄拉克半金屬Cd3As2表面超導(dǎo)》(“Proximity-induced surface superconductivity in Dirac semimetal Cd3As2”)為題在線發(fā)表于《自然 通訊》(Nature Communications, DOI:10.1038/s41467-019-10233-w)。
馬約拉納費米子是一種新奇準(zhǔn)粒子，滿足非阿貝爾統(tǒng)計，是實現(xiàn)可容錯的拓撲量子計算的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，拓撲超導(dǎo)材料因其邊界態(tài)中存在馬約拉納費米子已成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重要研究方向之一。將拓撲材料轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)態(tài)是一個探索拓撲超導(dǎo)的有效方法之一。三維拓撲半金屬作為一種新型拓撲量子材料，其能帶上具有狄拉克錐結(jié)構(gòu)，并且具有豐富多樣的非平庸表面邊界拓撲態(tài)，是實現(xiàn)馬約拉納費米子的理想體系。要在拓撲半金屬中實現(xiàn)拓撲超導(dǎo)，首先需要將這些邊界態(tài)轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)態(tài)。盡管理論上已經(jīng)有很多預(yù)言，實驗上目前并沒有實驗完全證實這些邊界態(tài)的超導(dǎo)形式。
為實現(xiàn)拓撲半金屬的超導(dǎo)，修發(fā)賢課題組在前期三維狄拉克半金屬Cd3As2納米片的費米弧表面態(tài)輸運研究的基礎(chǔ)上，與香港科技大學(xué)羅錦團（Kam Tuen Law）等課題組合作，在Cd3As2納米片上蒸鍍一層超導(dǎo)的Nb，形成Nb/Cd3As2和Nb/Cd3As2/Nb的異質(zhì)結(jié)，通過近鄰效應(yīng)將超導(dǎo)傳遞到Cd3As2中。研究表明，在Nb/Cd3As2的界面中，通過微分電導(dǎo)譜輸運測量發(fā)現(xiàn)寬電導(dǎo)平臺和零偏壓的寬峰，分別對應(yīng)Cd3As2的表面費米弧和體態(tài)的超導(dǎo)，并且費米弧與超導(dǎo)的耦合遠強于體態(tài)。通過改變Cd3As2的厚度可以改變Cd3As2的表面費米弧與體態(tài)比重，可以觀察到對應(yīng)的費米弧和體態(tài)超導(dǎo)能隙的變化。同時，羅錦團課題組對Nb/Cd3As2的理論模擬進一步證實了觀察到的費米弧和體態(tài)超導(dǎo)。
基于Nb/Cd3As2很好的超導(dǎo)近鄰效應(yīng)，課題組研究了基于Cd3As2的約瑟夫森結(jié)（Nb/Cd3As2/Nb）的物理性質(zhì)。通過超導(dǎo)量子干涉（Superconducting Quantum Interference）測量，觀察到超導(dǎo)電流幾乎完全由Cd3As2的上下表面流過，實驗中超導(dǎo)臨界電流與磁場關(guān)系是一個SQUID形狀。這與以前在類似的拓撲絕緣體的表面態(tài)超導(dǎo)電流特征非常不同。在拓撲絕緣體中，表面態(tài)是各向同性的，各個方向會相互干擾很難形成單個方向上很好的邊界電流，并且需要將費米能級調(diào)控至體態(tài)能隙中以避免體態(tài)的影響。然而，在三維狄拉克半金屬Cd3As2中，由于體態(tài)和表面費米弧對于超導(dǎo)耦合能力差距很大，可以避免體態(tài)的干擾，以至于表面態(tài)只在y方向的兩邊才存在，可以形成很完美的表面超導(dǎo)電流。這些特性都是Cd3As2費米弧超導(dǎo)的有力證據(jù)。
圖，Cd3As2費米弧超導(dǎo)的示意圖
該項研究成果首次在三維拓撲半金屬中實現(xiàn)了費米弧的超導(dǎo)（如圖所示），這相當(dāng)于二維量子自旋霍爾絕緣體的一維超導(dǎo)邊界態(tài)的高維度類推，對于深入理解邊界態(tài)超導(dǎo)具有重要意義；同時，基于理論預(yù)言，Cd3As2的超導(dǎo)費米弧可在a.c.約瑟夫森效應(yīng)中實現(xiàn)馬約拉納費米子的一種新的表現(xiàn)形態(tài)：馬約拉納平帶。這為探索拓撲超導(dǎo)提供了新的思路和實驗手段，也為拓撲量子計算機的最終實現(xiàn)提供了前期的科研基礎(chǔ)。
該工作由復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢、王熠華課題組，香港科技大學(xué)羅錦團課題組，沈陽金屬所韓拯課題組，北京大學(xué)林熙課題組，澳大利亞昆士蘭大學(xué)鄒進課題組，北京工業(yè)大學(xué)韓曉東、陳艷輝課題組合作完成。工作獲得了復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系、應(yīng)用表面物理國家重點實驗室、國家重點研發(fā)計劃、基金委優(yōu)秀青年基金和面上項目的大力支持與資助。論文的第一單位為復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授修發(fā)賢為通訊作者，修發(fā)賢課題組博士生黃策和香港科技大學(xué)羅錦團課題組博士生周桐為共同第一作者。
修發(fā)賢課題組主要從事拓撲材料的生長、量子調(diào)控以及新型低維原子晶體材料的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生長、物性測量以及量子器件的制備與表征。在新型低維原子晶體材料的器件方面主要研究其電學(xué)、磁學(xué)和光電特性。
