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      50年前預言獲證實!超導體實現分段費米面

      時間:2021-11-01 10:25:52 來源:中國科學報

        費米面,是固體材料非常重要的一個“面兒”,決定其是否透光、導電等物性。而由于能隙的存在,半導體、超導體自身沒有這個“面兒”,如果能產生這個“面兒”,將極大改變其性質。


        1965年,理論學家Fulde理論預言了一種在超導體中實現特殊“分段費米面”的路徑。但50多年來,從未被證實。


        10月29日發表于《科學》的一項研究中,上海交通大學物理與天文學院、李政道研究所博士后朱朕,教授鄭浩、賈金鋒等與合作者,利用低溫強磁場掃描隧道顯微鏡,在Bi2Te3/NbSe2體系中成功產生并探測到由庫珀對動量導致的分段費米面。


        要“面兒”也得要“里子”


        1911年,科學家發現超導體。因具有零電阻導電和完全抗磁性等奇特性質,超導體成為物理學中長盛不衰的研究課題。但是,天然超導體沒有費米面。


        1965年,Fulde從理論上預言了一種特殊的“分段費米面”——當超導體中庫珀對的動量足夠大時,就可以在超導能隙中產生準粒子,從而產生一種特殊的“分段費米面”。但該預言一直未被證實。


        鄭浩告訴《中國科學報》,這是因為,對于普通超導體而言,如果采用增加電流的方式讓庫珀對動起來,當庫珀對動量大到一定程度、產生準粒子的同時,庫珀對也被“拆散”了,從而失去了超導性。也就是說,還沒等產生費米面,超導體就已經“廢了”。


        因此,要實現超導體費米面的人工調控,前提是在保證其超導性這個“里子”不喪失的情況下,產生費米面。


        技術上的“三駕馬車”


        為此,研究人員希望利用拓撲絕緣體/超導體異質結的特殊性來解決這一實驗難題。


        首先,他們使用分子束外延技術,在超導體NbSe2表面上精準生長了4層厚的拓撲絕緣體Bi2Te3薄膜。這樣通過NbSe2的臨近效應,在原本不超導的拓撲絕緣體中誘導產生了超導性。但這要求薄膜必須足夠薄,否則臨近效應就會非常弱。“分子束外延技術可以實現原子層的精準控制,所以是一種最佳手段。”鄭浩說。


        他介紹,誘導的超導性比本征的超導性脆弱一些,而實驗的關鍵就是利用這種差別,通過對誘導的超導體施加超電流,并讓電流進入拓撲絕緣體Bi2Te3中,以達到讓超導體產生費米面的強度,但這種強度恰好在不破壞NbSe2超導性的可控范圍內。


        也就是說,在Bi2Te3/NbSe2體系中,由于Bi2Te3薄膜表面態的費米速度很大,當NbSe2超導體中庫珀對動量還很小時,這個動量對Bi2Te3薄膜表面態中庫珀對已經大到足夠產生準粒子,實現分段費米面。通過這種方法,研究人員巧妙解決了進行Fulde預言驗證的實驗困難。


        但證實這種分段費米面確實存在,還需要精確的探測手段。目前國際上探測費米面比較常用的手段是角分辨光電子譜,但由于探測需要在極低溫的環境下,這種手段并不容易實現。


        為此,研究人員使用配備了稀釋制冷機和三維矢量強磁場的掃描隧道顯微鏡進行探測。他們利用一個很小的水平磁場在NbSe2超導體表面產生一個較小的超導電流,發現隨著磁場增大,超導體庫珀對動量也在提高,超導能隙內準粒子也越來越多,這預示著超導體中逐漸產生了分段費米面。


        為進一步驗證,研究人員又利用準粒子干涉技術,在實空間探測到了駐波,并通過傅里葉變換證實了費米面的產生。


        值得一提的是,研究人員在探測時發現,這種分段費米面是由非超導Bi2Te3費米面的一部分組成,而且它的形狀和取向可以由外加磁場的強度和方向決定,完全符合Fulde理論預言的超導體分段費米面的特征。


        鄭浩表示,之所以使用稀釋制冷機,是因為超導體的探測實驗必須保持足夠低的溫度環境,普通液氦制冷機只能達到4開爾文,而稀釋制冷機可以達到0.04開爾文 。


        他告訴《中國科學報》,國際上單獨使用分子外延技術、掃描隧道顯微鏡和稀釋制冷機的團隊不在少數,但在這類研究中,將3個尖端技術關聯使用的并不多,這也是團隊取得成果的重要原因。


        要利用好尖端儀器的優勢,前提是維護好儀器。但實際操作中,3個尖端儀器都放在同一個平臺上使用,每個都變得更為“嬌氣”,動不動就“罷工”。為了保證儀器處于最佳狀態,自2019年開啟這項研究,整整1年多的時間,學生和老師們守著儀器,日夜輪班倒。


        實際上,我國引入稀釋制冷機環境下的掃描隧道顯微鏡等高端儀器的時間并不早。但在鄭浩看來,這反而是一種后發優勢。“相比于早購入,后購入設備的性能其實更好。總體而言,這得益于國家對科研的持續投入,才讓我們有條件通過先進儀器來開展科學研究。”


        科學上的長期積累


        早在10多年前,研究團隊就開發了這種拓撲絕緣體/超導體異質結材料體系。這是一種拓撲超導材料,研究人員在上面觀察到了可用于拓撲量子計算的馬約拉納零能模。隨著理論和技術的發展,他們又開展了水平磁場的探索,并發現了異常敏感的響應。


        賈金鋒認為,團隊合作對于科學研究至關重要。“我們有一支很強大的團隊,不僅有經驗豐富的老師、動手能力強的學生,還有強大的理論支持。這項工作是團隊長期積累的成果,也是實驗和理論合作的結晶和典范。”


        對于研究團隊而言,驗證理論預言只是第一步。由于在研究中發現了磁場方向和大小可以調節費米面的形狀和大小、調控拓撲性、構建新的拓撲超導這一現象,因此,他們希望在接下來的實驗中,進一步探索它到底可以改變超導體的哪些物性。


        相關論文信息:https://doi.org/10.1126/science.abf1077


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