2019提名国家自然科学奖项目-拓扑超导体和大能隙二维拓扑绝缘体的实验研究

mouhua

2019年度国家自然科学奖提名公示材料
项目名称        拓扑超导体和大能隙二维拓扑绝缘体的实验研究
提名单位        教育部
提名意见
（不超过600字）        如何在零磁场下的实现拓扑量子态，是凝聚态物理领域重要问题之一。该项目深入研究了拓扑超导体和大能隙二维拓扑绝缘体这两种拓扑量子体系的生长机理、拓扑态探测方法以及电子态调控方式等，取得了一批具有国际领先水平的成果。项目首次基于三维拓扑绝缘体的表面态实现了二维拓扑超导体并探测到马约拉纳零能模，还首次实现了单层锡烯薄膜的生长。
项目8篇代表性论文中有1篇发表于Science，2篇发表于Nature Materials,4篇发表于Phys. Rev. Lett.，已被SCI他引1417次，其中5篇论文入选ESI 高被引论文，2位完成人入选ESI“全球高被引学者”，在国际相关领域中产生了巨大影响。曾获2016年度教育部奖自然科学一等奖。
对照国家自然科学奖授奖条件，我部决定提名该项目为2019年度自然科学奖二等奖。
项目简介        80年代初，以高磁场下形成的量子霍尔效应态为代表的拓扑量子物态研究兴起，能否在零磁场下产生新拓扑态成为重大科学问题，本世纪初终获突破，构造新拓扑态的理论设想涌现。新拓扑态体系主要包括拓扑超导体和拓扑绝缘体/半金属两大类，这些体系不仅有新奇的物性，还存在特殊的准粒子激发，在未来信息技术领域有重要应用价值。如何在实验上实现新拓扑态并进行调控成为最前沿问题。项目针对拓扑超导体和大能隙二维拓扑绝缘体这两种体系的实现和调控开展了深入研究，取得了一批具有国际领先水平的成果，主要发现点如下：
（一）首次基于三维拓扑绝缘体的拓扑表面态，通过超导近邻效应实现了二维拓扑超导态，并给出了马约拉纳零能模存在的明确实验证据：项目针对拓扑超导态产生及马约拉纳零能模检测这两个重大问题开展研究。首先，通过超导近邻效应成功地将超导态引入到拓扑绝缘体表面【Science,336,52（2012）】；其次，证明了该体系达到形成二维拓扑超导态的要求，实现了二维拓扑超导体【PRL 112，217001（2014）】；最后，在上述拓扑超导体中找到了马约拉纳零能模存在的确凿证据【PRL 114, 017001 (2015)】。成果入选年度“中国百篇最具影响国际学术论文”。
（二）首次制备出大能隙二维拓扑绝缘体锡烯薄膜和极高质量单层铋薄膜，并通过谱学实验证明铋薄膜是第一种大能隙二维拓扑绝缘体：如何增大体能隙关系到拓扑绝缘体未来应用，锡烯和铋薄膜是理论建议的两种代表性候选体系。项目实现了锡烯薄膜生长，证明其可在基底上稳定存在，开启了锡烯实验研究大门【Nat. Mat. 14, 1020 (2015)】；项目利用谱学方法确定单层铋薄膜是第一种大能隙二维拓扑绝缘体，所采用的探测一维边缘态的方法被广泛采用，成为拓扑边缘态研究的基本方法【PRL 109，016801（2012）】。
（三）首次利用界面杂化和自旋轨道耦合在螺旋狄拉克电子中引入显著的电子多体作用，并利用自旋轨道耦合实现对螺旋狄拉克电子自旋取向的调控：对拓扑电子态进行调控是探索其应用可能性的必由之路，项目针对调控问题开展多方面研究。发现并揭示界面电子态杂化和自旋轨道耦合协同作用可在螺旋狄拉克电子态中极大增强电子-电子多体相互作用【PNAS 110，2758（2013）】；发现自旋轨道耦合可用于螺旋狄拉克电子自旋取向的调控【PRL 111，176802 (2013)】；开发出对超薄薄膜敏感的原位四探针测量设备【Nat. Mat.14， 285 (2015)】。
项目8篇代表作包括《Science》1篇、《PNAS》1篇、《Nature Materials》2篇、《Phys. Rev. Lett.》4篇，其中5篇被列为ESI高被引论文，7年内总SCI他引1417次，2名完成人入选“全球高被引学者”。Rev. Mod. Phys.将项目成果列为探索马约拉纳零能模的重要进展之一；中国科学报、Nature、英国化学学会化学世界、美国科学院院刊、New Scientist等多家重要科学媒体对项目成果进行了专题报道。第一完成人在国内外会议上作邀请报告40多次介绍项目成果。项目获教育部自然科学一等奖和全球华人物理与天文学会“亚洲成就奖”；6人次入选“长江学者”、“青年长江学者”、万人计划“领军人才”、“青年拔尖人才”等人才计划；获得基金委创新研究团队和科技部创新团队资助。
客观评价        发现点（一）的代表性论文-1入选“2012年中国百篇最具影响国际学术论文”，代表性论文1和3都是ESI高被引论文。超过20篇关于拓扑绝缘体和拓扑超导体的综述性文章对发现点（一）进行了介绍，包括Review of Modern Physics【RMP 88, 035005 (2016)；88, 021004 (2016)；87, 137 (2015)】。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Elliott和合作者在综述【RMP 87, 137 (2015)】中对代表性论文-2进行了介绍，对项目的发现予以充分肯定。文章指出，项目“利用扫描隧道谱在常规超导体NbSe2表面生长的Bi2Te3薄膜的磁通量子漩涡中观测到了和理论预言相符的零能模实验证据”。
发现点（一）也得到众多理论学家的关注，作为他们探讨新量子态和量子现象的出发点。例如国际著名理论物理学家，张振宇教授在其发表于【PRL 113, 266806 (2014)】中指出代表性论文-1中实现的拓扑绝缘体和超导体异质薄膜表面上可以用来实现他们在文章中构建的手性拓扑超导态。拓扑绝缘体和拓扑超导体理论开创者之一，麻省理工大学Liang Fu教授在其发表于【PRX, 5, 041038 (2015)】上基于马约拉纳零能模构筑拓扑量子计算的理论文章中将本项目发现点（一）作为重要基础，认为本项目的体系是非常有前途的。
世界最大的科技新闻杂志New Scientist对代表性论文-1进行了重点报道：“中国的科研人员制备了一种器件，它可能是制造Majorana费米子的最佳方案，而且可能用它们来搭建量子计算机…上交大的王美晓和他的中国及美国同事，在超导材料的表面上镀上了拓扑绝缘体薄膜…提供了产生Majorana费米子的完美条件。”（New Scientist, 15 Mar. 2012）
发现点（二）中的各个相关成果得到学术界的广泛认可和高度评价。
锡烯的成果被Nature杂志News【03 August 2015】和News in focus 【Nature 524, 18 (2015)】栏目分别以“Physicists announce graphene’s latest cousin: stanene”和”Stanene makes its debut”为题对该项工作进行了详细报道，邀请多位相关领域专家给予评论，法国Aix-Marseille大学Guy Le Lay教授认为“锡烯的工作就像奔赴月球，第一步是至关重要的一步”。PNAS 杂志的New Features 【PNAS 112, 13128 (2015)】栏目也对锡烯工作进行了介绍。成果被超过50篇的综述所介绍，例如【Nat. Mat. 16, 163 (2017)、Chem. Soc. Rev. 47, 6073 (2018); Chem. Rev. 118, 6236 (2018)】等。中科大王兵教授研究组在发表于【Nat. Mat. 17, 1081 (2018)】上关于锡烯的论文中指出，“2015年，在Bi2Te3(111)上单层锡烯的成功制备证实理论预言的晶体结构的存在”。代表性论文-4单篇被他引485次。
单层铋薄膜拓扑特性的确定也得到同行的广泛认同。例如西班牙Alicante 大学C. Sabater等人在关于单层铋薄膜输运性质研究的论文中【PRL 110, 176802 (2013)】指出铋薄膜的一维边缘态已经被本项目所发现。国际著名拓扑和超导物理学家，科睿唯安全球高被引学者，德国克隆大学Yoichi Ando教授在其关于拓扑绝缘体材料的综述论文中【J. Phys. Soc. Jap. 82, 102001 (2013)】收录了有限的几种二维拓扑绝缘体材料，其中大能隙的只有一种，就是项目确认的单层铋薄膜。
代表性论文-8受到美国科学院院士J. C. Séamus Davis的高度认可。在其发表于【PNAS 5, 1316 (2015)】上关于磁性掺杂拓扑绝缘体中能隙分布的论文中，讨论他们研究动机时指出代表性论文-8是迄今为止磁性掺杂拓扑绝缘体电子结构表征的三项出色工作之一。
代表性论文专著目录
序号        论文专著名称/刊名/作者        年卷页码        发表时间        通讯作者        第一作者        国内作者        SCI他引次数        他引总次数        论文署名单位是否包含国外单位
1        The Coexistence of Superconductivity and Topological Order in the Bi2Se3 Thin Films / Science / Mei-Xiao Wang, Canhua Liu, Jin-Peng Xu, Fang Yang, Lin Miao, Meng-Yu Yao, C. L. Gao, Chenyi Shen, Xucun Ma,X. Chen, Zhu-An Xu,Ying Liu, Shou-Cheng Zhang, Dong Qian, Jin-Feng Jia, Qi-Kun Xue        2012年336卷52页        2012年4月6日        Dong Qian、Jin-Feng Jia        Mei-Xiao Wang, Canhua Liu        王美晓、刘灿华、徐金朋、杨方、苗霖、姚梦禹、高春雷、沈晨屹、马旭村、陈曦、许祝安、钱冬、贾金锋、薛其坤        169        248        是
2        Artificial Topological Superconductor by the Proximity Effect / Physical Reivew Letters / Jin-Peng Xu, Canhua Liu, Mei-Xiao Wang, Jianfeng Ge, Zhi-Long Liu, Xiaojun Yang, Yan Chen, Ying Liu, Zhu-An Xu, Chun-Lei Gao, Dong Qian, Fu-Chun Zhang, and Jin-Feng Jia        2014年112卷 217001页        2012年5月30日        Jin-feng Jia        Jin-Peng Xu, Canhua Liu        徐金朋、刘灿华、王美晓、葛建峰、刘志龙、杨小军、 陈焱、许祝安、高春雷、钱冬、张富春、贾金锋        63        89        否
3        Experimental Detection of a Majorana Mode in the core of a Magnetic Vortex inside a Topological Insulator-Superconductor Bi2Te3/NbSe2 Heterostructure / Physical Reivew Letters / Jin-Peng Xu,Mei-Xiao Wang, Zhi Long Liu, Jian-Feng Ge, Xiaojun Yang, Canhua Liu, Zhu An Xu, Dandan Guan, Chun Lei Gao, Dong Qian, Ying Liu, Qiang-Hua Wang, Fu-Chun Zhang, Qi-Kun Xue, Jin-Feng Jia        2015年114卷017001页        2015年1月7日        Canhua Liu、Jin-Feng Jia        Jin-Peng Xu        徐金朋、王美晓、刘志龙、葛建峰、杨小军,刘灿华、许祝安、管丹丹、高春雷、钱冬、王强华、 张富春、薛其坤        117        185        是
4        Epitaxial growth of two-dimensional stanene \ Nature Materials \ Feng-feng Zhu, Wei-jiong Chen, Yong Xu, Chun-lei Gao, Dan-dan Guan, Can-hua Liu, Dong Qian, Shou-Cheng Zhang and Jin-feng Jia        2015年14卷1020页        2015年8月3日        Dong Qian、Jin-Feng Jia        Feng-fengZhu、Wei-Jiong Chen、Yong Xu        朱锋锋、陈维炯、高春雷、管丹丹、刘灿华、钱冬、贾金锋        485        599        是
5        Spatial and Energy Distribution of Topological Edge States in Single Bi(111) Bilayer / Physical Review Letters / Fang Yang, Lin Miao, Z. F. Wang, Meng-Yu Yao, Fengfeng Zhu, Y. R. Song, Mei-Xiao Wang, Jin-Peng Xu, Alexei V. Fedorov, Z. Sun, G. B. Zhang, Canhua Liu, Feng Liu, Dong Qian, C. L. Gao, and Jin-Feng Jia        2012年109卷 016801页        2012年7月5日        Feng Liu、Dong Qian、C. L. Gao        Fang Yang        杨方、苗霖、姚梦禹、朱锋锋、宋艳汝、王美晓、徐金朋、孙喆、张国斌、刘灿华、钱冬、高春雷、贾金锋        123        163        是
6        Quasiparticle dynamics in reshaped helical Dirac cone of topological insulators / PNAS / Lin Miao, Z. F. Wang, Wenmei Ming, Meng-Yu Yao, Meixiao Wang, Fang Yang, Y. R. Song, Fengfeng Zhu, Alexei V. Fedorov, Z. Sun, C. L. Gao, Canhua Liu, Qi-Kun Xue, Chao-Xing Liu, Feng Liu, Dong Qian and Jin-Feng Jia        2013年110卷 2758页        2013年2月19日        Feng Liu、Dong Qian、Jin-Feng Jia        Lin Miao、Z. F. Wang        苗霖、姚梦禹、王美晓、杨方、宋艳汝、朱锋锋、孙喆、高春雷、刘灿华、薛其坤、钱冬、贾金锋        42        60        是
7        Superconductivity above 100 K in single-layer FeSe films on doped SrTiO3 / Nature Materials / Jian-Feng Ge, Zhi-Long Liu1, Canhua Liu,, Chun-Lei Gao, Dong Qian, Qi-Kun Xue, Ying Liu and Jin-Feng Jia        2015年14卷 285页        2014年11月24日        Canhua Liu、Qi-Kun Xue、Jin-Feng Jia        Jian-Feng Ge        姚梦禹、苗霖、朱锋锋、刘灿华、高春雷、钱冬、贾金锋        398        605        是
8        Identifying Magnetic Anisotropy of the Topological Surface State of Cr0.05Sb1.95Te3 with Spin-Polarized STM / Physical Review Letters / Fang Yang, Y. R. Song, H. Li, K. F. Zhang, X. Yao, Canhua Liu, Dong Qian, C. L. Gao, and Jin-Feng Jia        2013年111卷 176802页        2013年10月15日        C. L. Gao、Jin-Feng Jia        Fang Yang        杨方、宋艳汝、李慧、张凯奋、杨方、姚忻、刘灿华、钱冬、高春雷、贾金锋        20        26        否
合计                1417        1975        
主要完成人情况        姓名        排名        行政职务        技术职称        工作单位        完成单位        对本项目贡献
贾金锋        1        副院长        教授        上海交通大学        上海交通大学        领导了整个项目，代表性论文1、3、4、6、7、8的共同通讯作者，代表性论文2的唯一通讯作者
钱冬        2        副院长        教授        上海交通大学        上海交通大学        代表性论文1、4、5、6共同通讯作者
刘灿华        3        无        教授        上海交通大学        上海交通大学        代表性论文1、2的共同第一作者，代表性论文3、7的共同通讯作者
高春雷        4        无        教授        复旦大学        上海交通大学        代表性论文5和8的共同通讯作者
管丹丹        5        无        特别副研究员        上海交通大学        上海交通大学        代表性论文3、4的共同作者


完成人合作关系说明        贾金锋、钱冬、刘灿华、高春雷四位完成人共同组建低维物理和界面工程实验室，开展密切合作，聚焦拓扑量子态研究。2012年管丹丹加入实验室，和前四位完成人开展合作。前四位完成人是8篇代表性论文的共同作者，第五完成人和前四位完成人在两篇代表性论文中是共同作者。