二重对称超导电性——拓扑超导体SrxBi2Se3的最新证据

摘要：Sr_xBi₂Se₃被广泛认为是一种拓扑超导体，最近一项通过磁场下的输运特性研究揭示了其超导能隙具有二重对称性，为证明Sr_xBi₂Se₃是拓扑超导体提供了新的证据。文章发表于Science China Physics, Mechanics & Astronomy第3期。

拓扑超导研究是目前凝聚态物理领域热点的研究方向之一，很多团队致力于寻找本征的拓扑超导体。最近的一项研究在超导体Sr_xBi₂Se₃中探测到了超导能隙的二重对称性，为证明Sr_xBi₂Se₃是拓扑超导体提供了新的证据。

该文章(Superconductivity with Two-Fold Symmetry in Topological Superconductor Sr_xBi₂Se₃)由南京大学闻海虎教授的课题组完成，并于2017年1月份发表在学术期刊Science China Physics, Mechanics & Astronomy上。研究者采用Corbino型电极，外磁场平行样品ab平面并在平面内转动，测量样品在c轴方向的电阻，该实验的设计巧妙地避免了磁通运动、晶格取向等因素对测量的影响，获得了Sr_xBi₂Se₃中超导的本征信息。

图1：零磁场下S1样品的电阻率随温度的变化曲线，插图中展示连接电极的S1样品(上图)和Corbino型电极的构造示意图(下图)。

拓扑超导是一种奇异的量子态，其拓扑序异于常规超导体和真空。由于这种拓扑序的差异，拓扑超导体表面(与真空的界面)上超导能隙关闭，且存在受到拓扑保护的非常稳定的表面态。由于超导态的准粒子-空穴对称性，表面态中在费米能处的准粒子由相同比重的电子和空穴组成，这种零能准粒子满足其反粒子即为其本身的性质，被认为是Majorana费米子。在拓扑超导中的Majorana费米子具有很多奇特的统计学性质，可以实现量子计算。

目前，“哪些超导体是拓扑超导体”是一个非常热门的话题，很多的理论和实验物理学家均就该问题给出了自己的回答，不同的研究成果甚至互相矛盾。其中争论比较多的是“掺杂诱导超导的拓扑绝缘体是否是拓扑超导体”，对应的材料主要有Cu_xBi₂Se₃、Sr_xBi₂Se₃、Tl_xBi₂Te₃等。Liang Fu小组所做的理论上的研究认为这些材料符合拓扑超导的要求，一些实验团队如Yoichi Ando小组通过点接触等手段的研究也证实了这些理论预言，但是其他团队的STM研究却给出了相反的结论，这使得拓扑超导之争变得扑朔迷离。

该项研究通过制作Corbino型电极，排除了多项干扰因素，测量到了在磁场平行样品平面并在面内转动的情况下，Sr_xBi₂Se₃样品c轴方向的转角电阻数据。转角电阻曲线表现出非常显著的二重对称性，研究者进一步测量到了Sr_xBi₂Se₃的上临界场的各向异性，证明了Sr_xBi₂Se₃的超导能隙存在二重对称性。该研究成果与GuoQing Zheng小组对Cu_xBi₂Se₃的核磁共振测量的研究以及其他几个团队的相关研究相符，均证实了在几种掺杂诱导超导的拓扑绝缘体中二重对称超导电性的存在，Liang Fu小组据此修正了理论计算，并认为该二重对称性对应于一种拓扑序非平庸的状态。

图2：Sr_xBi₂Se₃中二重对称超导电性的取向分析。其中，蓝色曲线为样品电阻率随角度的变化数据，测量条件：外磁场为0.5 T，方向平行于样品c轴，温度为1.9 K。红色直线为超导能隙的极大值方向，绿色球体代表Se原子。

该研究为证实Sr_xBi₂Se₃等材料为拓扑超导体提供了新的证据，这对于进一步开展拓扑超导的研究有很积极的推动作用，并使得人们对超导中的拓扑序有了更深刻的认识。

更多详情请阅原文：

Guan Du, YuFeng Li, J. Schneeloch, R. D. Zhong, GenDa Gu, Huan Yang, Hai Lin, and Hai-Hu Wen, Superconductivity with Two-Fold Symmetry in Topological Superconductor Sr_xBi₂Se₃, Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 2017, 60(3): 037411

链接: http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/60/3/10.1007/s11433-016-0499-x?slug=full%20text

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