進展 | 非常規配對誘發的鐵基高階拓撲超導

2020-11-04 中科院物理所

近年來，鐵基高溫超導體，作為自賦性拓撲超導體，引起了廣泛研究興趣，理論研究表明鐵基高溫超導體是一個理想的實現Majorana零能模的體系。隨後，實驗組在多個鐵基材料表面觀測到Majorana零能模，揭開了在鐵基超導體系中探尋Majorana零能模的序幕。這使得鐵基超導體很有可能成為拓撲計算的載體。

但是，目前的研究與鐵基超導態最根本的性質——非常規電子配對——沒有直接聯繫。在有電子和空穴費米面的鐵基超導體中，過去的理論研究預言了非常規s±配對——空穴型費米面和電子型費米面超導序參量反號。雖然這個預言得到了很多實驗的間接支持，但是缺乏像在銅基高溫超導對d-波配對那樣直接的實驗證據。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心凝聚態理論與材料計算實驗室T06組胡江平研究員與美國賓西法利亞州立大學劉朝星教授，吳賢新(原物理所博士生)，Wladimir Benalcazar, 維爾茨堡大學Ronny Thomale教授和上海理工大學的李殷翔(原物理所博士後)，提出了一類基於鐵基非常規配對的拓撲超導體。它們具有邊界阻礙導致的高階拓撲特徵，而且具有由手性對稱性保護的「角」或者「稜」（hinge）Majorana零能模式，並且預言112家族鐵砷超導體系，由於具有本徵量子自旋霍爾態-高溫超導體的異質結，是理想的實現體系。圖1給出了112家族(Ca,La)FeAs2 的晶體結構和費米面以及高階拓撲形成的直觀圖像，圖2給出了拓撲性質的計算結果。112家族的Tc最高達47K，而且該體系的拓撲性質也是由胡江平研究組最先預言 (X. Wu et al., Phys. Rev. B 91, 081111(R) (2015) )。

這項工作不僅首次在實際的材料體系中預言了高階拓撲超導量子態，提供了一個可實現Majorana零能模新體系，更重要的是，將鐵基的非常規配對和拓撲性質直接聯繫起來，由於拓撲性質的魯棒性（robustness），提供了鐵基超導體s±配對的決定性實驗判別手段（smoking gun）。

本研究得到了科技部、國家自然科學基金委，以及中科院先導項目的資助。文章發表在 Physical Review X, 10,041014 (2020)。

圖1:(Ca,La)FeAs2的晶體結構和費米面以及高階拓撲形成的直觀圖像：(a) 晶體結構， (b) As1層的晶格模型，(c)(Ca,La)FeAs2費米面和超導序參量以及角上Majorana零能模形成的直觀解釋：藍色和紅色表示超導序參量的符號不同，灰色的圓表示兩個稜交叉的角產生的Majorana零能模。

圖2:拓撲性質的計算結果：(a)(010)邊界態的邊界繞數, (b)拓撲相變中邊界繞數隨體系尺寸的變化。(c) Majorana模式的能量（對數坐標）隨體系尺寸的變化, (d) Majorana模式波函數實空間分布。

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