量子材料科学中心王健组与合作者在拓扑外尔半
来源:性骚扰网 发表于2019-07-09 13:40:34 编辑:彭丽媛
摘要: 近年来,拓扑超导资料因其鸿沟态中存在马约拉纳费米子而引起世界学术界的继续广泛重视。马约拉纳费米子是本身的反粒子,契合非阿贝尔核算,是完成

  近年来,拓扑超导资料因其鸿沟态中存在马约拉纳费米子而引起世界学术界的继续广泛重视。马约拉纳费米子是本身的反粒子,契合非阿贝尔核算,是完成可容错的拓扑量子核算的物质根底。北大量子资料科学中心王健课题组及协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凡超导的信号,发现该资料是一种拓扑超导候选资料。一起,因其为层状过渡金属碲化物,具有很大的潜在运用价值。

  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意外尔方程,这种粒子被称为外尔费米子。尽管现在在自然界中没有观测到这种基本粒子,可是近来人们在晶体中发现了满意外尔方程的这种准粒子激起,这一类晶体被称为拓扑外尔半金属。在拓扑外尔半金属中,费米面邻近的准粒子激起满意线性色散联系,能够用外尔方程描绘,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起能够违背洛伦兹不变性。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方位。拓扑外尔半金属还具有奇特的外表态,即在外表构成了衔接手性不同的外尔点在外表上的投影点的线段态,称为费米弧(Fermi Arc)。当具有拓扑性质的外表态构成超导态时会具有拓扑超导的性质。此外,超导资料依据超导能隙的对称性,能够分为s波,p波,d波超导体等,其间s波超导资猜中,假如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。理论预言显现,坚持时刻反演对称性的拓扑外尔半金属的身形若构成s+-的超导态,会具有拓扑超导的性质(Phys.Rev.B90(4):045130)。

  图1.电磁输运试验观测到的s+-超导的依据,提醒拓扑超导的可能性。(A)电磁输运试验的丈量示意图。(B)超导改变温度邻近的电阻率-温度联系。(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联系。赤色的线是两带超导模型的拟合曲线,拟组成果发现带间耦合比较大,标明该超导行为是s+-超导。

  图2.扫描地道显微镜观发现外表态的超导能隙远超过身形的超导能隙,提醒出拓扑超导的可能性。(A)4K和0.4K下样品外表的微分电导dI/dV谱。在0.4K下,超导能隙是1.7meV,远大于身形的超导能隙,且能隙与临界温度的比值约为约为8.6,远大于惯例超导资料的能隙与临界温度的比值(1.76)。4K时样品处于非超导态。(B)0.4K超导dI/dV谱和各向同性BCS超导谱的比照。(C)0.4K时,不同磁场下的超导dI/dV谱,超导能隙被外加磁场所按捺。

  

  近来,北京大学王健教授和冯济教授,复旦大学张童教授和李世燕教授,浙江大学王勇教授,稳态强磁场科学中心(合肥)凌浪生、田亮堂研讨员,美国宾夕法尼亚州立大学Nitin Samarth教授等人打开协作,经过电输运、扫描地道谱、比热、抗磁性等体系的试验研讨并结合榜首性原理核算,在掺硫的第二类拓扑外尔半金属二碲化钼单晶中发现了非平凡超导态的特征。试验中所运用的硫掺杂的高质量二碲化钼晶体是经过化学气相输运的办法组成的,掺杂份额约为0.2。研讨组经过准粒子干与试验与榜首性原理核算相结合,在样品外表勘探到了费米弧拓扑外表态的存在,随后经过扫描地道谱学和比热的丈量比照,发现样品外表态的超导能隙远大于身形的超导能隙,并且该样品外表态的能隙与临界温度的比值(Δ/kBTc)约为8.6,远大于惯例超导资料的能隙与临界温度的比值(约为1.76),标明晰外表态具有非惯例超导库珀对配对机制,极可能是拓扑超导的普适特征。一起,研讨组经过电输运丈量和比热丈量,发现这种资料为s波超导体,且它的超导能隙的带间耦合很强,超导对称性应为s+-对称性。这可能是继铁基高温超导之后,又一种新的s+-超导体。并且依据理论预言,拓扑外尔半金属中s+-对称性的超导态会构成拓扑超导态。掺硫的第二类拓扑外尔半金属二碲化钼单晶中拓扑超导特征的发现,证明了外尔半金属中完成拓扑超导的可行性,推动了拓扑超导相关范畴的进一步开展,也为拓扑量子核算机的终究完成奠定了前期的科研根底。文章于2019年8月31日在PNAS上在线宣布(DOI:10.1073/pnas.1801650115)。王健、冯济和张童是本文的一起通讯作者。北京大学李亚楠硕士、顾强强博士和复旦大学陈晨博士为一起榜首作者。

  这项作业得到了国家严重科学研讨方案要点专项、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目的赞助。

  修改:凌薇

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