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拓扑晶体绝缘体的拓扑超导电性研究获得进展

近日,李耀义特别研究员、贾金锋教授研究团队在拓扑晶体绝缘体Sn1-xPbxTe与超导体Pb形成的异质结中发现了超导拓扑晶体绝缘体存在拓扑超导电性的证据。该工作以“Superconductivity of Topological Surface States and Strong Proximity Effect in Sn1-xPbxTe-Pb Heterostructures”为题发表在Advanced Materials(影响因子25.8)。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。AG视讯厅为第一单位。研究工作获得了国家自然科学基金,科技部的支持。

拓扑超导体在体内具有全开的超导能隙,在表面具有无能隙的拓扑表面态。理论预言,在拓扑超导体磁通涡旋中能够形成Majorana零能模,其具有非阿贝尔统计特性,适合用于构建拓扑量子比特,有望实现可容错的拓扑量子计算。所以,拓扑超导体是目前一个非常热门的前沿研究领域。拓扑绝缘体的拓扑表面态受时间反演对称性保护,而拓扑晶体绝缘体的拓扑表面态受晶体对称性保护。理论计算表明超导的拓扑晶体绝缘体是一种新型的拓扑超导体。虽然人们已经在拓扑晶体绝缘体中诱导出超导电性,但是实验测得的超导能隙特征和普通超导体的能隙特征类似,这使得超导的拓扑晶体绝缘体是否具有拓扑超导电性存在争议。

博士生杨浩在李耀义特别研究员和贾金锋教授的指导下,利用分子束外延生长技术,制备出原子级平整的拓扑晶体绝缘体Sn1-xPbxTe与超导体Pb形成的侧向和纵向异质结(图1)。变温实验发现Sn1-xPbxTe的超导转变温度Tc不低于6.5K,这比之前用In掺杂Sn1-xPbxTe得到的最高Tc = 4.7K还要高。另外,在4.2K下,超导能隙的衰减长度估计在200nm以上,远大于之前报道的其他超导体异质结的衰减长度。由于超导针尖具有更高的能量分辨率,通过对比在Sn1-xPbxTe和Pb岛上测得的超导能隙,发现Sn1-xPbxTe的超导能隙具有“peak-dip-hump”特征(图2)。这与理论计算的超导拓扑绝缘体和拓扑晶体绝缘体在具有拓扑超导电性时的超导能隙特征一致。另外准粒子干涉技术进一步证明在Sn1-xPbxTe的超导能隙里有无能隙的表面态存在。在倒空间中干涉图案具有四重对称性,在实空间中干涉图案呈条状分部(图3)。

图1: Sn1-xPbxTe/Pb异质结的分子束外延生长

图2: Sn1-xPbxTe与Pb超导能隙特征对比

图3: 在Sn1-xPbxTe超导能隙内外的准粒子干涉测量

该工作在拓扑晶体绝缘体中首次观测到peak-dip-hump型超导能隙特征以及超导能隙内存在四重对称性干涉图,为超导拓扑晶体绝缘体存在拓扑超导电性提供了有力的证据,也为研究其它拓扑材料的拓扑超导电性提供了一种有效的表征方法。另外拓扑晶体绝缘体Sn1-xPbxTe与超导体Pb形成的异质结在4.2K下具有很强的超导近邻效应,为今后研制大尺寸拓扑超导器件以及探测拓扑晶体绝缘体Majorana零能模提供了新的平台。

相关论文在线发表在:https://doi.org/10.1002/adma.201905582

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