眾所周知，超導態的載流子是由兩個電子構成的庫玻對。根據庫玻對中兩個電子自旋的取向不同，庫玻對又被分成自旋單態（自旋反對稱）和自旋三態（自旋對稱）兩種模式。目前發現的絕大多數超導體具有自旋單態電子配對形式。在傳統的BCS超導理論中，兩個動量相反、自旋相反的電子通過原子晶格的幫助而形成庫玻對。這些庫玻對發生類玻色凝聚，形成宏觀尺度量子相干效應，從而實現零電阻和完全抗磁性。超導體因為具有這些特別的性質，可以開發出很多重要的應用，為世界各國所重視。
對於拓撲絕緣體，由於特殊的電子能帶反轉效應，因此在其表面會形成質量為零，能量和動量之間具有線性色散關係的電子，此類電子被稱為狄拉克電子。這些特殊的粒子，在自旋軌道耦合的作用下，會形成自旋和運動方向的鎖定效應，即具有一個自旋取向的電子只會朝一個方向運動，而自旋相反的電子會朝相反方向運動。因此，從原理上說，狄拉克電子不同於形成庫玻對的電子，它們的基本約束條件有很大區別。此外，如果實現拓撲超導，有可能觀察到一類新的粒子，即所謂馬約拉納子，在未來量子計算中具有重要作用。因此能否直接觀測到狄拉克電子變成庫玻對，並且研究狄拉克電子超導性質是凝聚態物理領域非常重要的研究方向。最近，聞海虎教授團隊在一種可能的拓撲超導體SrxBi2Se3中，利用低溫強磁場的掃描隧道譜測量，觀測到狄拉克電子變成庫玻對的直接證據。該工作於2017年2月15日在線發表在Nature Communications上面 【Guan Du et al., Nature Communications 8，14466 （2017）】。該工作發現了狄拉克電子變成超導庫玻對的直接證據，打開了研究狄拉克電子形成超導的新模式，對下一步研究拓撲超導和馬約拉納新粒子具有重要促進作用。
該工作是在教育部2011計劃的人工微結構協同創新中心中的研究組之間合作完成的。隧道譜的測量和分析是由博士生杜冠同學、楊歡教授和聞海虎教授為主完成，先進的低溫強磁場掃描隧道譜設備是聞海虎教授研究組加盟南京大學後建立的。樣品是由合肥強磁場中心實驗室的張裕恆院士和張昌錦研究員小組，以及南京大學溫錦生教授小組提供。文章第一作者是杜冠同學，通訊作者是張昌錦研究員，楊歡教授和聞海虎教授。聞海虎教授協調了整個工作。
該工作的主要結果以示意圖的形式在圖1中演示。圖1(a)顯示的是狄拉克電子的能量-動量色散的三維圖，水平截面顯示的是費米面。在未進入超導的時候，系統具有完整的費米面，狄拉克電子具有導電性而且動量和自旋鎖定。圖1(c)顯示的是在超導態在樣品表面測量到的隧道譜。他們發現，在不加磁場的時候，在能隙之外，隧道譜顯示的是光滑的曲線（這裡沒有顯示），能隙內態密度被大大壓制，反映的是超導態準粒子的典型特徵。然而，當加一個磁場的時候，如圖1(c)所示，在能隙之外，他們觀察到很強的振蕩，而且振蕩幅度隨磁場增加而增加。這個奇異的現象是由於表面態狄拉克電子在磁場中形成的朗道能級，在費米能附近，態密度會出現量子振蕩效應，因而被隧道譜實驗測量出來。令人吃驚的是，這種振蕩到了能隙以內就出現強烈壓制，或用偃旗息鼓來描述。去除背景效應之後，在能隙內部的振蕩可以認為確實被強烈抑制。這表明表面態的狄拉克電子被體超導誘導變成了庫玻對。而此時的色散關係變成了狄拉克電子在超導態的情形，如圖1（b）所示。
圖1. （a）顯示的是狄拉克電子色散關係，平面為費米面；(b)顯示的是狄拉克電子變成庫玻對以後在費米面附近形成的超導能隙；(c)是根據加磁場後掃描隧道譜在空間變化的實驗數據所畫出來的示意圖。實驗數據表明，在能隙外，態密度劇烈振蕩，形成波瀾起伏的狀態，顯示狄拉克電子在磁場中形成朗道能級效應。由於空間漲落效應，在不同位置，其振蕩起伏的具體能量並不嚴格一致。然而，到了能隙以內，即圖1(c)中顯示的深凹槽區域，這種振蕩就顯著變弱，甚至消失，說明狄拉克電子變成了庫玻對並且發生了超導凝聚。
該工作得到科技部國家重點研發專項－量子調控重點專項 「新型高溫超導和非常規超導機理」項目（編號:2016YFA0300400），國家自然科學基金委重點項目（編號：A0402/A11340502），教育部「985計劃」和「一流大學和一流學科建設計劃」，以及人工微結構2011協同創新中心的支持，作者對此一併表示感謝。（來源：科學網）