再下一城：研究人員發現鐵基超導體表面拓撲超導現象 | 前沿

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?圖片來源：Pixabay

撰文 | 呂浩然

責編 | 李曉明

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

北京時間3月9號，《科學》（Science）雜誌在線發表了中科院物理所丁洪與東京大學（固體材料研究所）、普林斯頓大學、布魯克海文實驗室、南京大學等合作團隊的一項研究成果。研究人員利用超高解析度角光電子能譜儀，在鐵基超導體FeTe0.55Se0.45（鐵碲0.55硒0.45）中，發現自旋軌道鎖定的拓撲表面態。該拓撲表面態呈狄拉克錐（Dirac-cone）色散分布，並穿過費米能級。

值得一提的是，在體相超導轉變溫度（Tc~14.5 K）以下，狄拉克點不打開能隙，拓撲表面態穩定存在。與此同時，在費米能級處拓撲表面態發生各向同性超導電子配對，形成了理論預言的無自旋的等效p波超導電性，在單個材料的表面實現了二維拓撲超導體。該材料相對較高的超導轉變溫度，對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撲超導體中奇異的准粒子激發，服從非阿貝爾統計（「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），可用於構建拓撲量子比特。與傳統的量子比特相比，拓撲量子比特由馬約拉納零能模編織操作的時間線紐結決定，對外界局域的擾動不敏感。因此具有豐富的潛在應用價值，可以用來構築高容錯的量子計算機。

拓撲超導可以在本徵的p波超導體中實現，如理論學家預言的P波超導「候選人」Sr2RuO4。然而，本徵p波超導體在自然界十分稀有，並且對雜質非常敏感，這使得實驗驗證拓撲超導性質困難重重，極大地限制了其潛在應用。理論學家Charles Kane和傅亮在2008年首次提出利用拓撲絕緣體和s波超導體的異質節，通過超導近鄰效應誘導自旋非簡併的拓撲表面態實現平庸s波超導電性配對，從而等效於無自旋的p波超導體。這個革命性的理論設想開啟了一場在「人工p波超導」異質節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，中國科學院物理研究所研究員、拓撲量子計算中心成員丁洪和他的博士研究生張鵬意識到一個新途徑，通過「動量空間的超導近鄰效應」在多能帶的單質樣品中實現拓撲超導。2008年出現的鐵基超導正是一個多能帶的超導體，丁洪和合作者在2008年首次在鐵基超導體中觀測到多能帶的s波超導能能隙。他們在鐵基超導體的多年研究經驗為此次突破打下了基礎。

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撲表面狀態。

?圖1

在圖A中可以清晰地看到，電子能帶在零能以下出現了一個明顯的交叉，並且在交叉點以下可以觀察到一個「錐形」。丁洪告訴《知識分子》，「我們研究組4年前就觀測到這個『錐形』交叉的最初證據，但不是很清晰。當時文章的第一作者就是我們組的研究生張鵬，之後我們組和物理所的方忠理論組合作，證明了這個樣品具有拓撲能帶反轉。張鵬一年多前去東京大學的Shik Shin研究組做博士後，我們繼續合作，利用超高分辨的深紫外激光做光源，終於清晰觀測到這個『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。

隨後，他們進行了高解析度的自旋分辨實驗，成功地觀測到這個表面態具有自旋極化，充分地證明了這個能帶是一個拓撲表面態。更重要的是他們成功觀測到這個拓撲表面態在超導溫度下打開了一個s波超導能隙，從而實現了等效的p波拓撲超導。

至此，此次工作證實拓撲表面態存在於FeTe0.55Se0.45中，並在超導轉變溫度以下進入拓撲超導態。他們預言，當施加一個外部磁場時，磁通渦旋的兩端（圖2A所示）存在一對馬約拉納零能模。此外，他們還預言：磁疇沉積在表面上，當疇下材料中磁性相互作用超越超導電性的影響時，在疇邊界上會存在一維的手性馬約拉納費米子。

?圖2

談到此次研究的意義，丁洪表示：「此次在鐵基超導表面發現的拓撲超導現象，應該容易在相對較高溫度下產生馬約拉納零能模和馬約拉納費米子。此外，簡單的單晶材料及其它特性可能會使得Fe（Te, Se）成為研究馬約拉納零能模的一個重要方向，並可能進一步推動量子計算研究的發展。」

針對此次研究，《知識分子》聯繫到了中國科學院大學卡弗里理論科學研究所所長張富春進行評論：

《科學》雜誌最新發表了中科院物理所丁洪團隊與日本固體物理所等合作的文章，報道了在鐵基超導表面發現的拓撲超導性。這是一個重要和有趣的發現。拓撲超導可以產生馬約納拉零能模，是研製拓撲量子計算的基本構件。鐵基超導轉變溫度高、超導能隙大，其產生的馬約納拉零能模不易「量子中毒」。丁洪等人的這一發現為量子計算的探索提供了一個全新的平台。

* 註：感謝中科院物理所孔令元對本文的幫助。

製版編輯：黃玉瑩 |

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