第一作者：陳明揚
通訊作者：聞海虎，楊歡
通訊單位：南京大學物理學院
研究亮點：
1. 首次在拓撲絕緣體/超導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，通過掃描隧道顯微鏡的準粒子相干散射的手段觀測到具有二度對稱性的超導能隙，能隙最小值出現(xiàn)在某一個Γ-K方向，與理論預期的拓撲超導態(tài)相吻合。
2. 在加磁場條件下觀測到拉長的磁通，拉長的方向即能隙最小值方向，也在某一個Γ-K方向。
拓撲超導是目前凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中一個非常重要的研究方向。該方向受到廣泛關(guān)注的主要原因是因為人們預期通過調(diào)控拓撲超導態(tài)，包括調(diào)控此狀態(tài)下會出現(xiàn)的馬約拉納費米子（Majorana），實現(xiàn)新一類的量子計算。而實現(xiàn)這個目標的關(guān)鍵一步是獲得具有體性質(zhì)的拓撲超導態(tài)。
根據(jù)理論上的定義和要求，拓撲超導態(tài)的超導能隙必須具有滿足時間反演不變的奇宇稱配對對稱性。其典型特征之一是超導能隙具有二度對稱性。自然界中已知的具有這種對稱性的超導體非常稀少，通常在摻雜的拓撲絕緣體和拓撲絕緣體/超導異質(zhì)結(jié)中實現(xiàn)。因此人們一直期待直接觀測到拓撲超導態(tài)的奇異配對對稱性。
有鑒于此，南京大學物理學院聞海虎教授團隊在成功構(gòu)造的Bi2Te3/ FeTe0.55Se0.45異質(zhì)結(jié)上，利用掃描隧道顯微鏡進行了深入研究，首次微觀觀測到具有二度對稱性的超導能隙和與之對應拉長的超導磁通，并以此確定了拓撲超導的配對對稱函數(shù)的具體形式，與理論在該類材料中預言的某一類拓撲超導態(tài)相吻合。
研究人員在高質(zhì)量FeTe0.55Se0.45單晶表面通過分子束外延技術(shù)，成功生長出高質(zhì)量的Bi2Te3薄膜，從而構(gòu)造出Bi2Te3/FeTe0.55Se0.45異質(zhì)結(jié)，而上層Bi2Te3薄膜由于鄰近效應形成了超導。
利用掃描隧道顯微鏡，清晰地觀測到了鐵基超導體基底和拓撲絕緣體薄膜原子級別的形貌特征，并且大面積的形貌圖表明，生長的薄膜質(zhì)量很高，有利于進一步的實驗測量。通過測量的隧道譜，可以看出，隨著薄膜厚度的增加，拓撲絕緣體的狄拉克點位置向著費米能移動，費米能附近的隧道譜表明隨著薄膜厚度增加臨近效應誘導的超導能隙逐漸變小。
圖1. FeTe0.55Se0.45及Bi2Te3薄膜的形貌特征和隧道譜表征。(A)FeTe0.55Se0.45單晶表面測量的原子形貌；(B) Bi2Te3薄膜原子形貌；(C) 不同厚度的Bi2Te3薄膜形貌；(D) FeTe0.55Se0.45及不同厚度Bi2Te3薄膜的隧道譜；(E) FeTe0.55Se0.45及不同厚度Bi2Te3薄膜超導相關(guān)的隧道譜。
進一步，在兩個量子單元厚度（2 QL）的薄膜上進行了準粒子相干散射的研究，結(jié)果如圖2所示。當測量能量低于0.5 mV時（圖2A,B），沒有明顯的強度信息出現(xiàn)，說明超導能隙沒有節(jié)點存在，能隙最小值在0.5 meV以上。當測量能量處于1.0 mV和1.5 mV之間時（圖2C,D），在一對Γ-K方向首先出現(xiàn)了散射強度，在強度隨角度變化的圖1G中可以更明顯地觀察到；隨著測量能量的增加，其他方向的散射強度逐漸出現(xiàn)（圖2E,F），最終形成一個完整的正常態(tài)六邊形輪廓。對此合理的解釋是超導能隙具有二度對稱性，能量從零逐漸增加時，能隙小的某個Γ-K方向的準粒子首先變?yōu)檎B(tài)被散射，當能量達到最大能隙值，所有的準粒子都被激發(fā)，形成了具有六度對稱的圖樣。通過分析可以得到這樣的結(jié)論，能隙最小值方向在樣品的某一個Γ-K方向，能隙的二維和三維示意圖如圖2H,I所示。
圖2. Bi2Te3/ FeTe0.55Se0.45異質(zhì)結(jié)的準粒子相干散射結(jié)果標明能隙的二重對稱性。(A-F) 不同能量準粒子散射的傅里葉變換圖；(G) 中間能量沿著費米面積分得到的散射強度隨角度變化圖；動量空間對應的能隙分布示意圖(H)和能隙分布三維示意圖(I)。
此外，通過施加垂直于基平面的磁場，觀測到了沿著晶格方向拉長的磁通（圖3A,B），而且沿著或者垂直拉長的方向測量得到的磁通束縛態(tài)有很大的區(qū)別（圖3C,D）。上述結(jié)果和襯底FeTe0.55Se0.45單晶上觀測的有很大差別，證明是臨近效應誘導的表面Bi2Te3薄膜超導形成的磁通。磁通的形狀能反應超導能隙結(jié)構(gòu)特征，拉長的方向即對應能隙較小的方向，這與上面準粒子相干散射分析得到的能隙較小的某個Γ-K方向一致，進一步確認了二度對稱性結(jié)構(gòu)的超導能隙。
圖3. 在異質(zhì)結(jié)表面觀測到拉長的磁通也標明能隙的二度對稱性。(A) 拉長的磁通，磁通拉長方向為某一個原子晶格方向。(B) 觀測到的由拉長磁通組成的磁通格子。(C,D) 沿著拉長磁通方向和垂直于該方向測量得到的隧道譜，可以發(fā)現(xiàn)能隙內(nèi)磁通束縛態(tài)沿著兩個方向有很大區(qū)別。
總之，這項研究通過構(gòu)造Bi2Te3/FeTe0.55Se0.45異質(zhì)結(jié)，利用臨近效應誘導表面拓撲絕緣體薄膜形成超導，利用準粒子相干散射和磁通觀測兩種手段，確認了拓撲絕緣體薄膜上由鄰近效應誘導產(chǎn)生的超導能隙具有二度對稱的結(jié)構(gòu)。
值得一提的是，這項工作是南京大學聞海虎團隊基于最近在鐵基超導體FeTe0.55Se0.45單晶磁通態(tài)研究的基礎(chǔ)上進行的【Nature Communications 9, 970 (2018)】，在該材料中首次清晰地觀測到了54年前理論上預言的磁通芯子中分離的束縛磁通量子態(tài)，并且證明了該鐵基超導體具有很小的費米能，對鐵基超導機理具有重要的推動作用。
該工作應用了掃描隧道顯微鏡的準粒子相干散射技術(shù)，該技術(shù)被團隊成功應用于研究鐵基超導體軌道選擇的超導配對對稱性上【Nature Communications 7, 10565 (2016)和NaturePhysics 14, 134 (2018)】。
參考文獻：
Mingyang Chen, Xiaoyu Chen, Huan Yang, Zengyi Duand Hai-Hu We. Superconductivity with twofold symmetry in Bi2Te3/FeTe0.55Se0.45 heterostructure. Science Advances 4, eaat1084 (2018).
作者簡介：
聞海虎，南京大學教授，博士生導師，美國物理學會會士(APS Fellow)，長江學者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，南京大學超導物理和材料研究中心主任，課題組長。在包括Nature Physics、Nature Communications在內(nèi)的SCI雜志上發(fā)表論文380余篇，他人引用超過8000次，h-index 50,在國內(nèi)外重要學術(shù)會議上作邀請報告100余場，已經(jīng)培養(yǎng)出博士20余名。目前任npj Quantum Materials副主編，Physica C、Philosophical Magazine、Chinese PhysicsLetters、《中國科學G輯》、《物理學進展》和《中國材料進展》等雜志的編委。課題組致力于新型超導材料的合成，高溫超導體材料和單晶樣品的物理性質(zhì)研究，新型高溫超導機理和超導體磁通動力學研究。
楊歡，南京大學物理學院教授，博士生導師。2012年獲教育部“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”支持，2014年獲江蘇省杰出青年基金支持，2016年獲教育部“長江學者獎勵計劃”的青年項目支持。到目前為止共發(fā)表SCI學術(shù)論文70余篇，SCI他引2300余次，h因子26，發(fā)表的文章中第一/通訊作者的文章21篇，包括Nature子刊7篇，PRL文章1篇。
