交大贾金锋、郑浩团队发现超导“分段费米面”

4月12日下午，上海交通大学贾金锋、郑浩团队“实验证实超导态‘分段费米面’”科研成果新闻发布会在徐汇校区召开，该成果于近日入选2022年度“中国科学十大进展”，是上海交通大学时隔11年再次入选中国科学十大进展。

▲ 新闻发布会现场

上海交通大学校务委员会专职副主任吴旦，中国科学院院士、上海交通大学物理与天文学院教授、李政道研究所拓扑量子计算实验平台负责人贾金锋，科研院院长曾小勤，物理与天文学院院长向导，科研院学术发展与成果处副处长丁蕾，物理与天文学院教授、李政道研究所平台建设学者郑浩及相关新闻媒体参加了本次发布会。发布会由上海交通大学党委宣传部副部长李厚锐主持。

贾金锋院士介绍成果整体情况。他表示，该项成果是上海交大物理与天文学院团队多年工作的积累和延续，2012年团队制备出了拓扑绝缘体/超导体异质结，证明了该体系为拓扑超导，并在其中观察到了人们长期追求的马约拉纳零能模。这次的成果是在该体系中发现的新现象，是对该体系持续不断研究的最佳回报。同时，该项成果的获得也要感谢国家、学校及学院对团队工作的长期持续支持。

郑浩教授代表团队对本次研究成果作介绍。他详细介绍了超导态“分段费米面”的物理背景、实验过程、研究结果和学术价值。强调将拓扑绝缘体表面态费米速度大的优势，跨领域的应用到超导研究中来，是解决问题的关键。表示未来将会以具有“分段费米面”的超导体为平台，探索构筑新型拓扑超导态和实现超导二极管效应等重要物理效应的可能性。

向导对本次研究成果的发布表示热烈祝贺，并对学校的关心支持表示感谢。他回顾了贾金锋院士带领团队十余年磨一剑，不断在拓扑量子领域取得重大突破的过程，对其团队潜心科研、攻坚克难、勇于创新的精神寄语高度赞扬，他还表示，物理学科是科技的创新源头，对推动国民经济发展、解决“卡脖子”问题，在国际竞争中争取话语权等方面发挥重要作用，学院将再接再厉，持续聚焦国家发展战略，坚持用“一流学科“和”一流人才“支撑起”双一流学院“建设。

吴旦对这项科研成果的重要意义给予高度肯定，并代表学校向两位老师表示热烈祝贺。他强调，基础研究是整个科学体系的源头，是所有技术问题的总机关。高水平研究型大学要把发展科技第一生产力、培养人才第一资源、增强创新第一动力更好结合起来，成为基础研究的主力军和重大科技突破的生力军，为培养更多杰出人才作贡献。他表示，近年来学校持续从三个方面强化基础科研：一是继续强化科研自主布局、提升基础策源能力；二是坚持目标导向和自由探索两条腿走路，推进科研组织模式范式创新；三是坚持遵循科技创新和人才成长规律，构建健康良好科研生态体系，全面释放人才创新活力。大力弘扬“敢为人先、与日俱进、勇攀高峰、求真务实”的创新精神，为建设世界一流大学贡献基础支撑。

在媒体提问环节，贾金锋院士与郑浩教授对多家媒体记者的提问给予了详细的解答，并对官方媒体的关注表示感谢。

“实验证实超导态‘分段费米面’”究竟是啥？

导体与绝缘体

我们拨开一段电线就会发现，它包括了中间的金属线和外面包裹的绝缘层两部分。金属线负责传导电流，绝缘层负责把电流局限在金属线中，防止漏电。那为什么会有导体和绝缘体的区别呢？固体物理学的研究发现，固体材料会有一种叫“能带”的固有性质，固体里的电子会按照能量从低到高的方式填充能带。导体中的能带没有被填满（半满能带），而绝缘体的能带都是被填满的（全满能带）。就像一个挤满了人的房间里，人寸步难行，而一个空房间里，人能够自由走动一样，挤满电子的全满能带不能导电，而半满能带能够导电。

另外，就像一瓶半满的水能看到水面一样，一个半满的能带也能观测到“电子面”，物理术语叫“费米面”。具体来说，在固体能带中，能量低于费米面的态都被电子填充，高于费米面的态都空置。所以，一个固体材料有没有费米面会决定它很多物理性质，包括是否导电，是否透光等等。

超导体

我们的手机、电脑用的时间长了会变热，这是因为普通导体有电阻，所以在导电的同时会发热。超导体的神奇之处在于它没有电阻，导电的时候不发热。我们现在用的高压输电线是普通导体，电从发电厂传输到我们家里的过程中，很大一部分电能因为导线发热被浪费掉了，如果换成超导输电能够节省大量的能源。另外，超导现象自从1911年被发现，到现在经过好几代物理学家前赴后继的研究，产生了大量的重要学术成果，光诺贝尔奖就得过5次之多。但是，经过百余年的研究，超导物理中仍然有些尚未解决的课题，都是难啃的硬骨头。

分段费米面

大量研究表明，超导体虽然导电（而且是零电阻导电），但是却没有费米面。因为超导体中承担导电任务的不是单个电子，而是两个电子组成的库伯对。1965年德国物理学家Peter Fulde理论预言，让超导体中库珀对动起来，如果速度足够快，就有可能在原本没有费米面的超导体中产生出一种特殊的“分段费米面”。然而，对多数单一超导材料中，库珀对速度太大会直接破坏超导态。实现 “分段费米面”在实验上十分困难，虽然一直有人尝试，但未能取得突破。上海交通大学贾金锋、郑浩团队与麻省理工学院傅亮团队合作，设计制备了拓扑绝缘体/超导体（Bi2Te3/NbSe2）异质结体系，借助超导近邻效应在Bi2Te3中诱导出超导，得益于Bi2Te3拓扑表面态的费米速度极高的独特优势，只需要很小的库伯对速度，就实现并观察到了预言中的“分段费米面”。

研究表明，拥有“分段费米面”的超导体，可以实现正向零电阻导电，反向非零电阻导电的独特现象（约瑟夫森二级管效应），可以用来构建超导计算机，实现无能耗的高效计算。另外，还可以为例如有限动量超导、库伯对密度波等很多具有重要物理学理论研究价值的课题提供关键的研究载体。

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