Nature Materials: 北大发现三维拓扑狄拉克半金属中的非常规超导特性

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2016年1月的Nature Materials发表了北京大学物理学院量子材料科学中心王健研究员为通讯作者的学术论文Observation of superconductivity induced by a point contact on 3D Dirac semimetal Cd3As2 crystals，这是首次在拓扑半金属中发现非常规超导，并给出了拓扑超导的证据。这一重要成果是王健研究员与北大危健研究员、刘雄军研究员、谢心澄院士、贾爽研究员、刘海文助理研究员等人合作完成的。危健研究员与刘雄军研究员为文章共同通讯作者。北大博士生王贺、王慧超与刘海文博士为文章并列第一作者。王健研究员也因为这一工作入选2015中国十大新锐科技人物。

相变，比如水变成冰，正常态变成超导态，通常对应着对称性的改变。1980年整数量子霍尔效应的发现 (诺贝尔物理奖) 使得拓扑的概念应用到物理相变中。量子霍尔效应所对应的相变并不伴随着对称性的改变，改变了人们对于相变和对称性破缺的看法。近些年，随着拓扑绝缘体的发现和进一步研究，人们对基本物质态的划分有了新的认识：物质材料可以划分为拓扑非平庸和拓扑平庸这两类。最近，三维狄拉克半金属作为一种新的拓扑非平庸材料，由于其能带的导带和价带在狄拉克点接触，并且在三维动量空间中表现出线性色散关系，已成为凝聚态物理领域的重要研究方向之一。三维狄拉克半金属可以看成是石墨烯的三维形式或是无能隙的拓扑半金属态。有趣的是，三维狄拉克半金属作为一种量子材料和物相，处于各种拓扑材料的相临界点。理论上通过改变或调制三维狄拉克半金属的参数，可以使其转变成拓扑绝缘体、外尔半金属、乃至拓扑超导体等其它拓扑物质态。对于拓扑超导体，其体内是有能隙的超导体，表面产生一种被称为Majorana费米子的无能隙态。Majorana费米子是一种理论预测的新奇准粒子。其中，Majorana零能准粒子态满足非阿贝尔统计，可以用于拓扑量子计算，即可容错的量子计算。因此拓扑超导的研究不仅有着重要的基本物理意义，而且有极其重要的应用前景。然而当前在拓扑超导方面的实验研究仍存在不少争议和困难，拓扑超导体和Majorana费米子的发现还没有被实验完全证实。

北京大学量子材料中心王健研究组，与中心谢心澄院士、贾爽研究员、刘海文助理研究员，以及武汉强磁场中心王俊峰教授，浙江大学王勇教授，美国阿贡国家实验室Zhili Xiao教授等人合作，通过低温强磁场下角度依赖的电输运实验勾画出三维狄拉克半金属Cd3As2单晶的全费米面信息。实验表明Cd3As2晶体在[112]和[44-1]晶列方向有单周期的磁电阻SdH 量子振荡，而在[1-10]晶列方向则出现双周期的SdH 振荡；进一步转角度的磁阻振荡数据分析揭示出Cd3As2 单晶的费米面是由两个嵌套在一起的椭球组成的 (图1)。此外，Cd3As2的量子极限特性和Zeeman劈裂行为在最高到60特斯拉的强磁场实验中被观测到 (图1)。同时，电输运实验发现，对于高质量的Cd3As2单晶，载流子迁移率非常高。该工作为未来基于狄拉克半金属的新的拓扑相的探索以及潜在的电子器件 (如高速器件) 方面的应用奠定了基础。相关文章于2015年9月16日正式发表在物理学顶级学术期刊Physical Review X 5, 031037(2015)上。王健研究员为文章通讯作者，谢心澄院士、贾爽研究员为文章共同通讯作者。北京大学赵弇斐博士与刘海文博士为文章并列第一作者。

图1. 三维狄拉克半金属Cd3As2单晶在4.2 K，60 T脉冲强磁场下的磁阻行为。量子振荡与Zeeman劈裂清晰可见。随磁场增加，在43 T达到量子极限，随后表现为线性磁阻行为。图为Cd3As2 单晶的三维费米面示意图。Physical Review X 5, 031037(2015)

最近北京大学物理学院量子材料科学中心王健研究员等人在前期三维狄拉克半金属 Cd3As2单晶电输运研究的基础上，与中心危健研究员、刘雄军研究员、谢心澄院士、贾爽研究员、刘海文助理研究员等人合作，在Cd3As2单晶表面用针尖做硬点接触实验发现：针尖与Cd3As2接触区域变得超导 (图2)。点接触谱表明其超导特性是非常规的，更有趣的是，在超导谱中发现了零压电导峰，揭示出Majorana费米子和拓扑超导的可能性 (图3)。国际上通常采用超导近邻效应探寻拓扑超导或Majorana费米子，即将超导体与拓扑材料或强自旋轨道耦合的材料组合在一起形成复合结构，使得复合异质结构界面附近因超导近邻效应变成理论预测的拓扑超导。不同于国际上的常规做法，王健、危健、刘雄军等人组成的研究团队，其硬点接触实验是通过针尖在三维狄拉克半金属表面微米量级的接触区域产生压力、掺杂等效果，使得处于拓扑材料相临界点的三维狄拉克半金属在接触区域被调制成可能的拓扑超导体。这就为探索拓扑超导提供了新的思路和实验手段，为最终实验证实拓扑超导体和Majorana费米子开辟了新的途径，科学意义重大。相关文章于2015年11月2日在线发表于国际顶级学术刊物Nature Materials (doi:10.1038/nmat4456)，随后正式发表在2016年1月份的Nature Materials上 (Nature Materials 15, 38 (2016))。

图2. Cd3As2单晶表面用钨针尖做硬点接触实验在接触区域发现非常规超导的示意图。Table of contents image in Nature Materials.

图3. a.在三维狄拉克半金属表面硬点接触区发现超导；b.点接触谱给出的超导能隙特征，表现出非常规超导的特性；c.实验观测到的可能由Majorana费米子引起的零压电导峰。Nature Materials 15, 38 (2016)

上述研究得到国家重大科学研究计划、国家自然科学基金、中组部“青年千人”计划、高等学校博士学科点专项科研基金以及量子物质科学协同创新中心等项目经费的资助。

王健研究员入选2015中国十大新锐科技人物

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