Science：铁基超导体表面拓扑超导性的研究

自由人 6年前 (2018-03-16) 8349浏览

【引言】

拓扑超导体中可以存在遵循非阿贝尔统计的马约拉纳束缚态。利用马约拉纳束缚态的非阿贝尔性质，可以用来执行拓扑量子计算，可以克服其他量子计算中的退相干和噪声问题。拓扑超导体的一个例子是p波超导体，然而这种超导体对于样品中的无序非常敏感，其边界是否存在马约拉纳束缚态仍然难以确认；另一种方法是在具有自旋螺旋结构的能带上实现s波超导，这种方法一般利用复杂的异质结构，也使得进一步的探索和应用具有挑战性。

【成果简介】

近日，东京大学物性研究所的张鹏、辛埴团队和中科院物理研究所的丁洪团队合作在Science发表了题为Observation of topological superconductivity on the surface of an iron-based superconductor（在一个铁基超导体的表面上观测到的拓扑超导现象）的文章，研究人员通过使用高分辨率的角分辨光电子能谱发现铁基超导体FeTe_1-xSe_x在费米能级处具有狄拉克锥型能带，这个能带的电子自旋具有螺旋结构，并且在超导转变温度Tc以下打开s波超导能隙。他们的研究表明FeTe_0.55Se_0.45的表面上存在二维拓扑超导态，这为实现马约拉纳束缚态提供了一个制备简单且超导转变温度比较高的平台。

【图文导读】

图1：FeTe_0.5Se_0.5的晶体结构和拓扑超导性

A: 晶体结构和布里渊区示意图；

B: 样品的费米面示意图；

C-D: 不同方向能带结构的第一性原理计算结果；

E: 计算得到的（001）面的表面电子能谱；

F: 样品内部和表面的不同超导状态，内部是平庸的超导态，表面上是拓扑超导态。

图2：样品表面上的狄拉克锥型能带

A: 用p偏振7-eV的激光观测到的沿着ƬM方向的能带色散；

B: 用曲率方法锐化后的能带，可以清楚的看到狄拉克锥形能带；

C: 用s偏振光观测到的ƬM方向的能带色散；

D: 放大区域的能量分布曲线，黑色和蓝色标记跟踪能带的位置；

E: 放大区域的曲率锐化图；

F: 整体的能带结构，虚线框中的数据经过了曲率锐化，底部抛物线是样品内部的价带，狄拉克锥型能带是样品表面的能带。

图3：表面上电子自旋的螺旋结构

A: 费米面上电子自旋的螺旋结构示意图；

B-C: 在Cut1处的自旋分辨的能量分布曲线和自旋极化曲线；

D-E: 在Cut2处的自旋分辨的能量分布曲线和自旋极化曲线。

F: 高分辨仪器和自旋分辨仪器测到的能量分布曲线的比较。

图4：表面能带的s波超导能隙

A: 表面态的电子在不同温度下的能量分布曲线；

B: A中所示曲线的对称化曲线；

C: 超导能隙随温度变化的曲线；

D: 在2.4K下记录的费米面上不同位置的能量分布曲线；

E: 超导能隙在倒空间的大小变化。

图5：拓扑超导态和样品表面上的马约拉纳准粒子激发

A: Fe Te_0.55Se_0.45表面和体内的不同超导电性；

B: 利用磁通涡旋和磁畴产生马约拉纳态。

【小结】

该团队发现FeTe_0.55Se_0.45表面上存在狄拉克锥型能带，能带的电子自旋具有螺旋结构。当样品进入超导态后，通过带间散射在样品表面上诱导了s波超导电性。由于表面上电子自旋的螺旋结构，表面态的超导是拓扑超导态。当施加外部磁场时，一对马约拉纳束缚态会出现在旋涡的两端。这个现象已经被扫描隧道显微镜观测到。此外，如果在表面上沉积磁畴，磁性会破坏畴内的超导性，那么沿着磁畴边缘就会出现巡游的马约拉纳费米子。由于在单晶样品表面上出现了拓扑超导电性，产生马约拉纳束缚态和费米子就会相当容易。由于样品容易制备，且超导转变温度较高，FeTe_0.55Se_0.45将成为研究马约拉纳束缚态的绝佳平台，并且可能进一步推动拓扑量子计算的研究。

文献链接：Observation of topological superconductivity on the surface of an iron-based superconductor（Science,2018, DOI: 10.1126/science.aan4596）

【团队介绍】

这项工作是由中科院物理研究所丁洪教授和东京大学物性研究所辛埴教授两个研究组合作完成的。张鹏是从丁洪老师组博士毕业，到辛埴教授组做博士后研究员，是这个项目的第一完成人和通讯作者。

实验过程得到了东京大学矢治光一郎，桥本嵩广，大田由一，近藤猛和冈崎浩三的帮助。理论部分是由普林斯顿大学的王志俊博士完成的，单晶样品来自于布鲁克海文国家实验室的顾根大教授和南京大学的温锦生教授。张鹏、中科院物理研究所丁洪教授和东京大学辛埴教授共同监督了整个项目，是文章的通讯作者。

工作汇总和优质文献推荐

丁洪教授组在铁基超导和拓扑物质领域都有重大发现，丁老师是第一个从实验上测定了铁基超导体的s波能隙，相关文章发表在epl上，引用次数非常高。

http://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/83/47001/meta

丁老师组也是第一个从实验上发现Weyl费米子和三重简并费米子。其中Weyl费米子是美国物理学会125年（APS 125 years）的代表性作品之一。

https://journals.aps.org/125years/2011-physical-review-x

三重简并费米子入选了2017年中国科学十大进展

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/2/403853.shtm

辛埴教授组有世界上分辨率最高的角分辨光电子能谱，之前有多篇文章发表在Science杂志上