上海交大賈金鋒團隊在拓撲晶體絕緣體的拓撲超導電性研究再獲突破...

2020-12-03 上海交通大學新聞網

近日，李耀義特別研究員、賈金鋒教授研究團隊在拓撲超導電性研究中再次獲得突破性進展。他們利用超導針尖觀測到拓撲晶體絕緣體Sn1-xPbxTe超導能隙內有多重的束縛態，這一發現為超導拓撲晶體絕緣體存在拓撲超導電性提供了非常有力的直接證據。該工作以「Multiple In-Gap States Induced by Topological Surface States in the Superconducting Topological Crystalline Insulator Heterostructure Sn1−xPbxTe−Pb」為題發表在國際物理學權威期刊Physical Review Letters上。博士生楊浩為第一作者，李耀義特別研究員和賈金鋒教授為共同通訊作者。研究工作獲得了國家自然科學基金，科技部，國家青年千人計劃的支持。

拓撲晶體絕緣體的拓撲性與拓撲絕緣體的拓撲性不同，前者的拓撲表面態受晶體對稱性保護。理論計算表明，具有拓撲超導電性的拓撲晶體絕緣體的超導能隙內含有多重的束縛態，能夠實現多重Majorana零能模，這些特徵是超導拓撲絕緣體所沒有的。在團隊的前期工作Advanced Materials 31, 1905582 (2019)中，利用分子束外延生長技術，他們製備出原子級平整的拓撲晶體絕緣體Sn1-xPbxTe與超導體Pb形成的異質結。在4.2K下發現Sn1−xPbxTe−Pb異質結具有很強的超導近鄰效應，Sn1-xPbxTe的超導能隙具有反常的「peak-dip-hump」特徵。然而理論所預言的那些獨特的特徵還沒有被觀測到。

圖: 在0.38K下側向Sn1-xPbxTe-Pb異質結上用超導針尖測的dI/dV譜

(a)Sn1-xPbxTe-Pb異質結的STM形貌圖(b)在圖(a)中紅點處測的dI/dV譜。Dirac點位於費米能級以下約0.1eV

(c)在圖(a)中綠點處測的dI/dV譜。(d)放大圖中可以清晰看見多重束縛態P1-P3

博士生楊浩在李耀義的指導下，把超導針尖與極低溫相結合，進一步提高了STM系統的能量解析度，在0.38K下觀測到了Sn1−xPbxTe超導能隙內非常明顯的多重束縛態特徵（如圖所示）。變溫實驗、數值模擬以及0.38K下超導能隙內部的準粒子幹涉實驗排除了這些多重束縛態是由雜質態、多重超導能隙、以及不超導的體電子態的Adreev反射引起的可能性。這些系統的測量結果都非常支持超導的Sn1−xPbxTe中存在奇宇稱A1u配對的拓撲超導電性。該工作為研究多重Majorana零能模提供了理想的平臺。

相關論文連結：

Hao Yang et. al. Physical Review Letters 125, 136802 (2020).

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.136802

Hao Yang et. al. Advanced Materials 31, 1905582 (2019).

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905582

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