拓撲晶體絕緣體的拓撲超導電性研究獲得進展

2020-12-06 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晶體絕緣體Sn1-xPbxTe與超導體Pb形成的異質結中發現了超導拓撲晶體絕緣體存在拓撲超導電性的證據。該工作以「Superconductivity of Topological Surface States and Strong Proximity Effect in Sn1-xPbxTe-Pb Heterostructures」為題發表在Advanced Materials（影響因子25.8）。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。上海交通大學為第一單位。研究工作獲得了國家自然科學基金，科技部的支持。

圖1: Sn1-xPbxTe/Pb異質結的分子束外延生長。

圖2: Sn1-xPbxTe與Pb超導能隙特徵對比。

圖3: 在Sn1-xPbxTe超導能隙內外的準粒子幹涉測量。

拓撲超導體在體內具有全開的超導能隙，在表面具有無能隙的拓撲表面態。理論預言，在拓撲超導體磁通渦旋中能夠形成Majorana零能模，其具有非阿貝爾統計特性，適合用於構建拓撲量子比特，有望實現可容錯的拓撲量子計算。所以，拓撲超導體是目前一個非常熱門的前沿研究領域。拓撲絕緣體的拓撲表面態受時間反演對稱性保護，而拓撲晶體絕緣體的拓撲表面態受晶體對稱性保護。理論計算表明超導的拓撲晶體絕緣體是一種新型的拓撲超導體。雖然人們已經在拓撲晶體絕緣體中誘導出超導電性，但是實驗測得的超導能隙特徵和普通超導體的能隙特徵類似，這使得超導的拓撲晶體絕緣體是否具有拓撲超導電性存在爭議。

博士生楊浩在李耀義特別研究員和賈金鋒教授的指導下，利用分子束外延生長技術，製備出原子級平整的拓撲晶體絕緣體Sn1-xPbxTe與超導體Pb形成的側向和縱向異質結（圖1）。變溫實驗發現Sn1-xPbxTe的超導轉變溫度Tc不低於6.5K，這比之前用In摻雜Sn1-xPbxTe得到的最高Tc = 4.7K還要高。另外，在4.2K下，超導能隙的衰減長度估計在200nm以上，遠大於之前報導的其他超導體異質結的衰減長度。由於超導針尖具有更高的能量解析度，通過對比在Sn1-xPbxTe和Pb島上測得的超導能隙，發現Sn1-xPbxTe的超導能隙具有「peak-dip-hump」特徵（圖2）。這與理論計算的超導拓撲絕緣體和拓撲晶體絕緣體在具有拓撲超導電性時的超導能隙特徵一致。另外準粒子幹涉技術進一步證明在Sn1-xPbxTe的超導能隙裡有無能隙的表面態存在。在倒空間中幹涉圖案具有四重對稱性，在實空間中幹涉圖案呈條狀分部（圖3）。

該工作在拓撲晶體絕緣體中首次觀測到peak-dip-hump型超導能隙特徵以及超導能隙內存在四重對稱性幹涉圖，為超導拓撲晶體絕緣體存在拓撲超導電性提供了有力的證據，也為研究其它拓撲材料的拓撲超導電性提供了一種有效的表徵方法。另外拓撲晶體絕緣體Sn1-xPbxTe與超導體Pb形成的異質結在4.2K下具有很強的超導近鄰效應，為今後研製大尺寸拓撲超導器件以及探測拓撲晶體絕緣體Majorana零能模提供了新的平臺。

相關論文在線發表在：https://doi.org/10.1002/adma.201905582


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