作者:田瑞颖 黄辛 来源:中国科学报 发布时间:2021/10/31 17:15:45
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预言被证实!《科学》:超导体实现分段费米面

 

费米面,是固体材料非常重要的一个“面儿”,决定其是否透光、导电等物性。而由于能隙的存在,半导体、超导体自身没有这个“面儿”,如果能产生这个“面儿”,将极大地改变其性质。

1965年,理论学家Fulde理论预言了一种在超导体中实现特殊“分段费米面”的路径。但50多年来,从未被证实。

10月29日发表于《科学》的一项研究中,上海交通大学物理与天文学院、李政道研究所博士后朱朕,教授郑浩、贾金锋等与合作者,利用低温强磁场扫描隧道显微镜在Bi2Te3/NbSe2体系中成功产生并探测到由库珀对动量导致的分段费米面。

要“面儿”也得要“里子”

1911年,科学家发现超导体,因具有零电阻导电和完全抗磁性等奇特性质,成为物理学中长久兴盛的研究课题。但是,天然超导体没有费米面。

1965年,Fulde从理论上预言了一种特殊的“分段费米面”,当超导体中库珀对的动量足够大时,就可以在超导能隙中产生准粒子,从而产生一种特殊的“分段费米面”。但该预言一直未被证实。

郑浩告诉《中国科学报》,这是因为,对于普通超导体而言,如果采用增加电流的方式让库珀对动起来,当库珀对动量大到一定程度,产生准粒子的同时,库珀对也被“拆散”了,从而失去了超导性。也就是说,还没等产生费米面,超导体就已经“废了”。

因此,要实现超导体费米面的人工调控,前提是在保证其超导性这个“里子”不丧失的情况下,产生费米面。

技术上的“三驾马车”

为此,研究人员希望利用拓扑绝缘体/超导体异质结的特殊性来解决这一实验难题。

首先,他们使用分子束外延技术,在超导体NbSe2表面上精准生长了4层厚的拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜。这样通过NbSe2的临近效应,在原本不超导的拓扑绝缘体中诱导产生了超导性。

但这要求薄膜必须足够薄,否则临近效应就会非常弱。“分子束外延技术可以实现原子层的精准控制,所以是一种最佳手段。”郑浩说。

他告诉记者,诱导的超导性比本征的超导性要脆弱一些,而实验的关键就是利用这种差别,通过对诱导的超导体施加超电流,并让电流进入拓扑绝缘体Bi2Te3中,以达到让超导体产生费米面的强度,但这种强度恰好在不破坏NbSe2超导性的可控范围内。

也就是说,在Bi2Te3/ NbSe2体系中,由于Bi2Te3薄膜表面态的费米速度很大,当NbSe2超导体中库珀对动量还很小时,这个动量对Bi2Te3薄膜表面态中库珀对已经大到足够产生准粒子,实现分段费米面。通过这种方法,研究人员巧妙地解决了进行Fulde预言验证的实验困难。

但要证实这种分段费米面确实存在,还需要精确的探测手段。目前国际上探测费米面比较常用的手段是角分辨光电子谱,但由于探测需要在极低温的环境下,所以这种手段并不容易实现。

为此,研究人员使用配备了稀释制冷机和三维矢量强磁场的扫描隧道显微镜进行探测。他们利用一个很小的水平磁场在NbSe2超导体表面产生一个较小的超导电流,发现随着磁场增大,超导体库伯对动量也在提高,超导能隙内准粒子也越来越多,这预示着超导体中逐渐产生了分段费米面。

为进一步验证,研究人员又利用准粒子干涉技术,在实空间探测到了驻波,并通过傅里叶变换证实了费米面的产生。

值得一提的是,研究人员在探测时发现,这种分段费米面是由非超导Bi2Te3费米面的一部分组成,而且它的形状和取向可以由外加磁场的强度和方向决定,完全符合Fulde理论预言的超导体分段费米面的特征。

郑浩表示,之所以使用稀释制冷机,是因为超导体的探测实验,必须保持足够低的温度环境,普通液氦制冷机只能达到4开尔文,而稀释制冷机可以达到0.04开尔文 。

他告诉记者,国际上单独使用分子外延技术、扫描隧道显微镜和稀释制冷机的团队不在少数,但将三个尖端技术在这类研究中关联使用的并不多,这也是团队取得成果的重要原因。

要利用好尖端仪器的优势,前提是维护好仪器。但实际操作中,三个尖端仪器都放在同一个平台上使用,每个都变得更为“娇气”,动不动就“罢工”。

为了保证仪器处于最佳状态,自2019年研究人员开启这项研究,整整一年多的时间,学生和老师们守着仪器,日夜轮班倒。

实际上,稀释制冷机环境下的扫描隧道显微镜等高端仪器,我国引入的时间并不早。但在郑浩看来,这反而是一种后发优势。“相比于很早购入的设备,后购入设备的性能其实会更好。总体而言,这得益于国家对科研的持续投入,才让我们有条件通过先进仪器来开展科学研究。”

科学上的长期积累

实际上,早在10多年前,研究团队就开发了这种拓扑绝缘体/超导体异质结材料体系。这是一种拓扑超导材料,研究人员在上面观察到了可用于拓扑量子计算的马约拉纳零能模。随着理论和技术的发展,他们又开展了水平磁场的探索,并发现了异常敏感的响应。

贾金锋认为,团队合作对于科学研究至关重要,“我们有一支很强大的团队,不仅有经验丰富的老师,动手能力强的学生,还有强大的理论支持。总体而言,这项工作是团队长期积累的成果,也是实验和理论合作的结晶和典范。”

对于研究团队而言,验证理论预言只是第一步。由于在研究中发现了磁场方向和大小可以调节费米面的形状和大小,调控拓扑性,构建新的拓扑超导这一现象,因此,他们希望在接下来的实验中,进一步探索它到底可以改变超导体的哪些物性。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.abf1077

 
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