众所周知,超导态的载流子是由两个电子构成的库玻对。根据库玻对中两个电子自旋的取向不同,库玻对又被分成自旋单态和自旋三态两种模式。目前发现的绝大多数超导体具有自旋单态电子配对形式。在传统的BCS超导理论中,两个动量相反、自旋相反的电子通过原子晶格的帮助而形成库玻对。这些库玻对发生类玻色凝聚,形成宏观尺度量子相干效应,从而实现零电阻和完全抗磁性。超导体因为具有这些特别的性质,可以开发出很多重要的应用,为世界各国所重视。

近年来,拓扑超导材料因其边界态中存在马约拉纳费米子而引起国际学术界的持续广泛关注。马约拉纳费米子是自身的反粒子,符合非阿贝尔统计,是实现可容错的拓扑量子计算的物质基础。北大量子材料科学中心王健课题组及合作者在掺硫的第二类拓扑外尔半金属二碲化钼晶体中观测到非平庸超导的信号,发现该材料是一种拓扑超导候选材料。同时,因其为层状过渡金属碲化物,具有很大的潜在应用价值。

对于拓扑绝缘体,由于特殊的电子能带反转效应,因此在其表面会形成质量为零,能量和动量之间具有线性色散关系的电子,此类电子被称为狄拉克电子。这些特殊的粒子,在自旋轨道耦合的作用下,会形成自旋和运动方向的锁定效应,即具有一个自旋取向的电子只会朝一个方向运动,而自旋相反的电子会朝相反方向运动。因此,从原理上说,狄拉克电子不同于形成库玻对的电子,它们的基本约束条件有很大区别。此外,如果实现拓扑超导,有可能观察到一类新的粒子,即所谓马约拉纳子,在未来量子计算中具有重要作用。因此能否直接观测到狄拉克电子变成库玻对,并且研究狄拉克电子超导性质是凝聚态物理领域非常重要的研究方向。最近,闻海虎教授团队在一种可能的拓扑超导体SrxBi2Se3中,利用低温强磁场的扫描隧道谱测量,观测到狄拉克电子变成库玻对的直接证据。该工作于2017年2月15日在线发表在Nature
Communications上面 [Guan Du et al., Nature Communications 8,14466
]。该工作发现了狄拉克电子变成超导库玻对的直接证据,打开了研究狄拉克电子形成超导的新模式,对下一步研究拓扑超导和马约拉纳新粒子具有重要促进作用。

1929年物理学家赫尔曼·外尔发现,有一种质量为零,自旋是半整数的费米子的行为满足外尔方程,这种粒子被称为外尔费米子。虽然目前在自然界中尚未观测到这种基本粒子,但是近来人们在晶体中发现了满足外尔方程的这种准粒子激发,这一类晶体被称为拓扑外尔半金属。在拓扑外尔半金属中,费米面附近的准粒子激发满足线性色散关系,可以用外尔方程描述,形状犹如沙漏,被称为外尔锥。与相对论粒子不同,外尔半金属中的准粒子激发可以违反洛伦兹不变性。在拓扑外尔半金属中,手性不同的外尔点成对出现在不同的动量位置。拓扑外尔半金属还具有奇异的表面态,即在表面形成了连接手性不同的外尔点在表面上的投影点的线段态,称为费米弧(Fermi
Arc)。当具有拓扑性质的表面态形成超导态时会具有拓扑超导的性质。此外,超导材料根据超导能隙的对称性,可以分为s波,p波,d波超导体等,其中s波超导材料中,如果不同超导能隙的相位不同,被称作s+-超导。高温超导中的铁基超导就被大多相关专家认为是s+-超导。理论预言显示,保持时间反演对称性的拓扑外尔半金属的体态若形成s+-的超导态,会具有拓扑超导的性质(Phys.Rev.B90(4):045130)。

该工作是人工微结构科学与技术协同创新中心内部不同研究组之间合作的成果。隧道谱的测量和分析是由博士生杜冠同学、杨欢教授和闻海虎教授为主完成,先进的低温强磁场扫描隧道谱设备是闻海虎教授研究组加盟南京大学后建立的。样品是由人工微结构科学与技术协同创新中心成员,合肥强磁场中心实验室的张裕恒院士和张昌锦研究员小组,以及南京大学温锦生教授小组提供。文章第一作者是杜冠同学,通讯作者是张昌锦研究员,杨欢教授和闻海虎教授。闻海虎教授协调了整个工作。

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该工作的主要结果以示意图的形式在图1中演示。图1显示的是狄拉克电子的能量-动量色散的三维图,水平截面显示的是费米面。在未进入超导的时候,系统具有完整的费米面,狄拉克电子具有导电性而且动量和自旋锁定。图1显示的是在超导态在样品表面测量到的隧道谱。他们发现,在不加磁场的时候,在能隙之外,隧道谱显示的是光滑的曲线,能隙内态密度被大大压制,反映的是超导态准粒子的典型特征。然而,当加一个磁场的时候,如图1所示,在能隙之外,他们观察到很强的振荡,而且振荡幅度随磁场增加而增加。这个奇异的现象是由于表面态狄拉克电子在磁场中形成的朗道能级,在费米能附近,态密度会出现量子振荡效应,因而被隧道谱实验测量出来。令人吃惊的是,这种振荡到了能隙以内就出现强烈压制,或用偃旗息鼓来描述。去除背景效应之后,在能隙内部的振荡可以认为确实被强烈抑制。这表明表面态的狄拉克电子被体超导诱导变成了库玻对。而此时的色散关系变成了狄拉克电子在超导态的情形,如图1所示。

图1.电磁输运实验观测到的s+-超导的证据,揭示拓扑超导的可能性。(A)电磁输运实验的测量示意图。(B)超导转变温度附近的电阻率-温度关系。(C)各个温度和磁场下的电阻率。(D)超导上临界磁场和温度的关系。红色的线是两带超导模型的拟合曲线,拟合结果发现带间耦合比较大,表明该超导行为是s+-超导。

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