清华大学薛其坤团队发现新的拓扑超导体‒β-Bi2Pd | Science Bulletin

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       清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室薛其坤研究团队首次在外延生长的β-Bi₂Pd薄膜表面观察到了非平庸的拓扑超导态，并在此基础上利用扫描隧道显微谱揭示了磁通涡旋中心马约拉纳零能模的迹象。

      这一工作发表在Science Bulletin 2017年第12期。第一作者为清华大学物理系博士毕业生吕衍凤，目前已经在美国休斯敦大学德州超导中心进行博士后研究。清华大学物理系宋灿立助理教授和薛其坤教授为文章的共同通信作者。

       拓扑超导及其所承载的马约拉纳费米子或零能模是当前凝聚态物理学中备受关注的研究热点。马约拉纳费米子的反粒子是其本身，具有非阿贝尔量子统计特性，从而可以实现容错的拓扑量子计算。拓扑超导体因其能承载这类神秘费米子被认为是实现未来永远不会出错的量子计算机的理想载体。实验上寻找拓扑超导体和无争议地观察到马约拉纳零能模具有重要的科学意义和应用前景。

      基于前期的理论预言，目前实验科学家主要利用超导临近效应设计基于强自旋轨道耦合材料（如拓扑绝缘体、半导体纳米线等）- 超导体的异质结或者通过化学掺杂/高压在拓扑绝缘体中引入超导电性来探究非平庸的拓扑超导态。然而，鲜有实验者着眼于通过在常规超导体中实现非平庸的拓扑能带结构来寻找拓扑超导体。尽管在前者体系中研究者先后观察到了马约拉纳零能模存在的实验迹象，但因为体系复杂，先前的实验结果尚存争议。如何寻找结构简单、潜在全新的拓扑超导材料是当前拓扑超导研究中面临的巨大挑战。

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       四方相的β-Bi₂Pd具有超导转变温度5.4K的超导电性。最近，角分辨光电子能谱测量表明β-Bi₂Pd表面存在受拓扑保护的表面态。这样，单一结构简单的β-Bi₂Pd化合物成为实现拓扑超导体和马约拉纳零能模的理想材料。然而，之前实验上在β-Bi₂Pd单晶中寻找其非平庸拓扑超导态和马约拉纳零能模的尝试均以失败告终。最近，清华大学薛其坤研究团队通过外延制备β-Bi₂Pd薄膜并调控其化学势揭开了它拓扑超导态和马约拉纳零能模的神秘面纱。他们发现，实现拓扑表面态和体能带在费米面上的分离是实现β-Bi₂Pd表面拓扑超导态的关键。

       薛其坤研究团队首次利用超高真空分子束外延技术在钛酸锶衬底上制备了高质量、化学势可控和原子级平整的β-Bi₂Pd外延薄膜，并利用原位的低温强磁场扫描隧道显微术对其超导性质进行了系统表征。

      他们的研究证明：

1

区别于单晶样品，β-Bi₂Pd外延薄膜的拓扑表面态在低温下打开一个受时间反演对称性保护的超导能隙；同时该能隙远大于体超导能隙且随化学势的降低而增大。

2

拓扑表面态超导能隙的直接观察以及它们随磁场的奇异演化规律毫无疑问地证实了β-Bi₂Pd拓扑超导体的本质。

3

最后，在外加磁场下，他们在磁通涡旋中心附近观察到了很可能为马约拉纳零能模的零偏压微分电导峰。

      该研究成果提供了β-Bi₂Pd为拓扑超导体令人信服的实验证据，并为实现未来基于马约拉纳零能模的拓扑量子计算奠定了重要的材料基础。更为重要的是，这一发现提供了在含有重元素（如Bi，具有强的自旋轨道耦合）的传统超导体中寻找拓扑超导体的新途径。

图：分子束外延β-Bi₂Pd薄膜的拓扑超导电性和马约拉纳零能模。

（a）外延β-Bi₂Pd薄膜大面积形貌图（400nm x 400 nm），插图是β-Bi₂Pd晶体结构示意图

（b）低温下（0.4K）的微分电导谱，其中Δb和Δs分别对应于β-Bi₂Pd薄膜体超导和表面超导的能隙

（c）零偏压下扫描隧道显微谱图像, B = 0.5 T；图像尺寸为200 nm x 200 nm; 蓝色代表超导态的低电导区域, 黄色为正常态的磁通中心

（d, e）磁通涡旋中心处的微分电导谱（d）以及它随空间的演化（e）;其中零偏压电导峰随远离磁通涡旋中心减弱但不劈裂的行为符合马约拉纳零能模的特征

该研究受到国家自然科学基金、科技部、教育部、国家千人计划和清华大学自主科研项目等基金资助

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