贾金锋团队在拓扑晶体绝缘体的拓扑超导电性研究再获突破性进展

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近日，李耀义特别研究员、贾金锋教授研究团队在拓扑超导电性研究中再次获得突破性进展。他们利用超导针尖观测到拓扑晶体绝缘体Sn1-xPbxTe超导能隙内有多重的束缚态，这一发现为超导拓扑晶体绝缘体存在拓扑超导电性提供了非常有力的直接证据。该工作以“Multiple In-Gap States Induced by Topological Surface States in the Superconducting Topological Crystalline Insulator Heterostructure Sn1−xPbxTe−Pb”为题发表在国际物理学权威期刊Physical Review Letters上。博士生杨浩为第一作者，李耀义特别研究员和贾金锋教授为共同通讯作者。研究工作获得了国家自然科学基金，科技部，国家青年计划的支持。
        拓扑晶体绝缘体的拓扑性与拓扑绝缘体的拓扑性不同，前者的拓扑表面态受晶体对称性保护。理论计算表明，具有拓扑超导电性的拓扑晶体绝缘体的超导能隙内含有多重的束缚态，能够实现多重Majorana零能模，这些特征是超导拓扑绝缘体所没有的。在团队的前期工作Advanced Materials 31, 1905582 (2019)中，利用分子束外延生长技术，他们制备出原子级平整的拓扑晶体绝缘体Sn1-xPbxTe与超导体Pb形成的异质结。在4.2K下发现Sn1−xPbxTe−Pb异质结具有很强的超导近邻效应，Sn1-xPbxTe的超导能隙具有反常的“peak-dip-hump”特征。然而理论所预言的那些独特的特征还没有被观测到。

图: 在0.38K下侧向Sn1-xPbxTe-Pb异质结上用超导针尖测的dI/dV谱

(a)Sn1-xPbxTe-Pb异质结的STM形貌图(b)在图(a)中红点处测的dI/dV谱。Dirac点位于费米能级以下约0.1eV

(c)在图(a)中绿点处测的dI/dV谱。(d)放大图中可以清晰看见多重束缚态P1-P3

       博士生杨浩在李耀义的指导下，把超导针尖与极低温相结合，进一步提高了STM系统的能量分辨率，在0.38K下观测到了Sn1−xPbxTe超导能隙内非常明显的多重束缚态特征（如图所示）。变温实验、数值模拟以及0.38K下超导能隙内部的准粒子干涉实验排除了这些多重束缚态是由杂质态、多重超导能隙、以及不超导的体电子态的Adreev反射引起的可能性。这些系统的测量结果都非常支持超导的Sn1−xPbxTe中存在奇宇称A1u配对的拓扑超导电性。该工作为研究多重Majorana零能模提供了理想的平台。


       相关论文链接：
       Hao Yang et. al. Physical Review Letters 125, 136802 (2020).
       https://journals.aps.org/prl/abs ... sRevLett.125.136802
       Hao Yang et. al. Advanced Materials 31, 1905582 (2019).
       https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905582

作者：李耀义

供稿单位：物理与天文学院

      文章来源：上海交通大学

      贾金锋，男，1966年3月生。1987年本科毕业于北京大学物理系，1992年北京大学物理系获博士学位。先后在日本、美国等重要研究机构工作5年，之后历任中国科学院物理研究所研究员，清华大学教授。现任上海交通大学讲席教授，上海交通大学低维物理与界面工程实验室学术带头人，博士生导师。曾获2016年教育部自然科学一等奖（第一获奖人），2014年十佳全国优秀科技工作者提名奖，2014年第五届中国侨界（创新成果）贡献，2013年全球华人物理学会“亚洲成就奖”，2011年国家自然科学二等奖（第一获奖人）；2011年香港求是科技基金会“杰出科技成就集体奖”；2005年中国科学院杰出科技成就集体奖；2004年国家自然科学二等奖（第三获奖人）；2003年北京市科学技术奖一等奖；2001-2002中国科学院“重大创新贡献团队”奖；1997年国家教育委员会科技进步一等奖等重要奖项。中国科学院“百人计划”获得者（2000）、国家杰出青年基金获得者（2003）、国家教育部“长江学者奖励计划”特聘教授（2009）。主要研究方向：新型量子材料（拓扑绝缘体等）的制备与表征；低维纳米结构的生长，以及量子效应对低维纳米结构电子态和物性的影响；表面/界面原子结构/电子结构/化学性质、及有机生物分子在表面的吸附；材料科学中的基本物理问题等。

       在SCI收录的杂志上发表文章230多篇，其中Science 4篇，Nature Mater. 2 篇，Nature Phys. 3篇，Adv. Mater. 5篇，Phys. Rev. Lett. 21篇，APL/PRB 40多篇，综述文章5篇。文章被引用7800多次。在重要的国际会议上做邀请报告得40余次，代表性工作有：1、创新性地把生长与表征技术结合在一起，极大地提高了在原子水平上对材料生长动力学参数的控制能力，在国际上首次制备出了多种高质量薄膜材料和有序纳米结构 2、首次观察到量子阱态对费米能级附近电子态密度的调制现象。3、成功实现了本征拓扑绝缘体Bi1-xSbx、Bi2Te3、Sb2Te3和Bi2Se3薄膜的外延生长，观察到了具有拓扑性质的电子态随薄膜厚度的演变,并研究了表面态形成的量子干涉条纹和朗道能级。4、在国际上率先制备出拓扑绝缘体/超导体异质结结构，并确定性地证实了Majorana费米子的存在。
       李耀义，上海交通大学物理与天文系，特别研究员。长期致力于利用扫描隧道显微镜及分子束外延联合超高真空系统，在固体表面上进行低维纳米结构的原子级精度的可控生长及其电子结构的表征。近几年，在拓扑绝缘体薄膜，一维石墨烯纳米带，零维纳米颗粒等低维纳米结构研究方向中取得了一系列原创性的成果。在Advanced Materials、Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters这些国际权威期刊发表高影响因子文章7篇。