復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授修發(fā)賢課題組在拓?fù)浒虢饘貱d₃As₂與超導(dǎo)的異質(zhì)結(jié)中觀察到了Cd₃As₂的表面超導(dǎo)態(tài)。5月17日，相關(guān)研究成果以《由近鄰效應(yīng)產(chǎn)生的狄拉克半金屬Cd₃As₂表面超導(dǎo)》為題在線發(fā)表于《自然-通訊》。

馬約拉納費米子是一種新奇準(zhǔn)粒子，滿足非阿貝爾統(tǒng)計，是實現(xiàn)可容錯的拓?fù)淞孔佑嬎愕奈镔|(zhì)基礎(chǔ)。近年來，拓?fù)涑瑢?dǎo)材料因其邊界態(tài)中存在馬約拉納費米子已成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重要研究方向之一。將拓?fù)洳牧限D(zhuǎn)變成超導(dǎo)態(tài)是一個探索拓?fù)涑瑢?dǎo)的有效方法之一。三維拓?fù)浒虢饘僮鳛橐环N新型拓?fù)淞孔硬牧�，其能帶上具有狄拉克錐結(jié)構(gòu)，并且具有豐富多樣的非平庸表面邊界拓?fù)鋺B(tài)，是實現(xiàn)馬約拉納費米子的理想體系。要在拓?fù)浒虢饘僦袑崿F(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)，首先需要將這些邊界態(tài)轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)態(tài)。盡管理論上已經(jīng)有很多預(yù)言，實驗上目前并沒有實驗完全證實這些邊界態(tài)的超導(dǎo)形式。

為實現(xiàn)拓?fù)浒虢饘俚某瑢?dǎo)，修發(fā)賢課題組在前期三維狄拉克半金屬Cd3As2納米片的費米弧表面態(tài)輸運研究的基礎(chǔ)上，與香港科技大學(xué)羅錦團（Kam Tuen Law）等課題組合作，在Cd₃As₂納米片上蒸鍍一層超導(dǎo)的Nb，形成Nb/Cd₃As₂和Nb/Cd₃As₂/Nb的異質(zhì)結(jié)，通過近鄰效應(yīng)將超導(dǎo)傳遞到Cd₃As₂中。研究表明，在Nb/Cd₃As₂的界面中，通過微分電導(dǎo)譜輸運測量發(fā)現(xiàn)寬電導(dǎo)平臺和零偏壓的寬峰，分別對應(yīng)Cd₃As₂的表面費米弧和體態(tài)的超導(dǎo)，并且費米弧與超導(dǎo)的耦合遠(yuǎn)強于體態(tài)。通過改變Cd₃As₂的厚度可以改變Cd₃As₂的表面費米弧與體態(tài)比重，可以觀察到對應(yīng)的費米弧和體態(tài)超導(dǎo)能隙的變化。同時，羅錦團課題組對Nb/Cd₃As₂的理論模擬進一步證實了觀察到的費米弧和體態(tài)超導(dǎo)。

基于Nb/Cd₃As₂很好的超導(dǎo)近鄰效應(yīng)，課題組研究了基于Cd₃As₂的約瑟夫森結(jié)（Nb/Cd₃As₂/Nb）的物理性質(zhì)。通過超導(dǎo)量子干涉（Superconducting Quantum Interference）測量，觀察到超導(dǎo)電流幾乎完全由Cd₃As₂的上下表面流過，實驗中超導(dǎo)臨界電流與磁場關(guān)系是一個SQUID形狀。這與以前在類似的拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)超導(dǎo)電流特征非常不同。在拓?fù)浣^緣體中，表面態(tài)是各向同性的，各個方向會相互干擾很難形成單個方向上很好的邊界電流，并且需要將費米能級調(diào)控至體態(tài)能隙中以避免體態(tài)的影響。然而，在三維狄拉克半金屬Cd₃As₂中，由于體態(tài)和表面費米弧對于超導(dǎo)耦合能力差距很大，可以避免體態(tài)的干擾，以至于表面態(tài)只在y方向的兩邊才存在，可以形成很完美的表面超導(dǎo)電流。這些特性都是Cd₃As₂費米弧超導(dǎo)的有力證據(jù)。

專家表示，該項研究成果首次在三維拓?fù)浒虢饘僦袑崿F(xiàn)了費米弧的超導(dǎo)，這相當(dāng)于二維量子自旋霍爾絕緣體的一維超導(dǎo)邊界態(tài)的高維度類推，對于深入理解邊界態(tài)超導(dǎo)具有重要意義；同時，基于理論預(yù)言，Cd₃As₂的超導(dǎo)費米弧可在a.c.約瑟夫森效應(yīng)中實現(xiàn)馬約拉納費米子的一種新的表現(xiàn)形態(tài)：馬約拉納平帶。這為探索拓?fù)涑瑢?dǎo)提供了新的思路和實驗手段，也為拓?fù)淞孔佑嬎銠C的最終實現(xiàn)提供了前期的科研基礎(chǔ)。

據(jù)悉，該工作由復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢、王熠華課題組，香港科技大學(xué)羅錦團課題組，中科院沈陽金屬所韓拯課題組，北京大學(xué)林熙課題組，澳大利亞昆士蘭大學(xué)鄒進課題組，北京工業(yè)大學(xué)韓曉東、陳艷輝課題組合作完成。論文的第一單位為復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授修發(fā)賢為通訊作者，修發(fā)賢課題組博士生黃策和香港科技大學(xué)羅錦團課題組博士生周通為共同第一作者。