拓扑半金属-超导体异质结的约瑟夫森效应

拓扑半金属是一类受对称性保护的无能隙量子材料.因其相对论性能带色散关系,拓扑半金属中涌现出丰富的量子态和量子效应,例如费米弧表面态和手征反常.近年来,因在拓扑量子计算的潜在应用,拓扑与超导的耦合体系受到广泛关注.本文从两方面回顾拓扑半金属-超导体异质结体系近年来的实验进展:1)超导电流对拓扑量子态的模式过滤; 2)拓扑超导和Majorana零能模的探测与调控.对于前者,利用约瑟夫森电流对电磁场的响应,拓扑半金属中费米弧表面态的弹道输运被揭示,高阶拓扑半金属相被证实,有限动量配对及超导二极管效应被实现.对于后者,通过交流约瑟夫森效应,狄拉克半金属中4π周期的拓扑超导态被发现,纯电学栅压调控的拓扑相变被实现.本文最后展望了拓扑半金属-超导体异质结体系的发展前景和在Majorana零能模编织和拓扑量子计算上的潜在应用.     

Bi2Te3拓扑绝缘体表面颗粒化铅膜诱导的超导邻近效应

拓扑绝缘体的出现为寻找拓扑超导体和Majorana费米子提供了一种可能的途径. 在拓扑绝缘体Bi₂Te₃表面沉积极薄的不连续铅膜, 试图通过邻近效应感应出大片的超导区, 为下一步研究拓扑超导电性创造条件.借助四引线电输运测量实验, 在0.25 K的低温下看到了超流现象, 表明沉积在Bi₂Te₃表面的厚度小于20 nm的颗粒化铅膜能够诱导邻近效应, 并且使大片Bi₂Te₃超导. 关键词： 超导邻近效应 S-N-S结 拓扑绝缘体     

电子型FeSe基高温超导体的磁通束缚态与Majorana零能模

作为凝聚态物理中一类新奇准粒子态,Majorana零能模(Majorana zero mode)由于可用来实现拓扑量子计算而成为当前的研究热点.理论预言,Majorana零能模可作为特殊的束缚态出现在一些拓扑超导体的磁通涡旋中.但实际超导体磁通中还可能存在其他低能束缚态或杂质态,这给Majorana零能模的辨别和具体应用带来了困难.目前实验上寻找合适的拓扑超导体系、分辨出清晰的Majorana零能模仍然是十分迫切的.本文主要介绍最近利用高能量分辨的扫描隧道显微镜,对电子掺杂铁硒类超导体(Li,Fe)OHFeSe和单层FeSe/SrTiO3磁通态进行的研究.实验上在前者的自由磁通中观测到清晰的零能模,并进一步测量到Majorana零能模的重要特征—量子化电导.而在后者磁通中只发现常规Caroli-de Gennes-Matricon(CdGM)束缚态,反映出s波对称性的特征.这系列实验既为Majorana零能模物性的进一步研究提供了合适平台,也为澄清铁基超导体中拓扑超导电性的来源提供了线索.     

封面故事

铁基超导体与拓扑绝缘体是当前凝聚态物理研究的热点。铁基超导体是非常规超导体,不同于传统的电声耦合机制的BCS超导体,其超导配对机制的解释仍然是凝聚态物理理论的一个难点。在拓扑绝缘体这类材料中,由于能带的反转,体态仍然保持绝缘态,但是在表面或者边界上存在着导电的金属态。超导体与拓扑绝缘体的结合被认为是实现拓扑超导体和Majorana费米子的一个非常有希望     

在人工拓扑超导体磁通涡旋中寻找Majorana零能模

寻找具有拓扑序的新物质态是目前一个非常活跃和令人激动的研究领域.与拓扑绝缘体类似,在超导体中也存在着拓扑非平庸的超导态,它与传统的超导体在拓扑性上是不等价的,这种具有非平庸拓扑序的超导体被称为拓扑超导体.拓扑超导体在体内具有非零的超导能隙,而在表面有无能隙的表面态.理论预言在拓扑超导体中能够实现具有非Abelian统计特性的Majorana费米子. Majorana费米子可以用来构建拓扑量子比特,在拓扑量子计算方面有重大的科研和应用前景.拓扑绝缘体的出现催生出了许多人工拓扑超导体材料.本专题将主要介绍在拓扑绝缘体/超导体异质结中探测Majorana费米子的一系列实验工作.通过对拓扑超导体的研究,人们对超导电性有了全新的认识,有可能找到实现Majorana费米子新奇量子物理性质的方法.     

AuCu3 型超导体SrPb3 中德哈斯-范阿尔芬振荡及非平庸拓扑能带

AuCu3 型超导体兼具非平庸的拓扑能带, 是近期受到关注的拓扑超导体候选材料之一. 理论预言 SrPb3具有非平庸的拓扑能带, 然而, 实验上尚未得到证实. 本工作观察到德哈斯-范阿尔芬振荡, 验证了 SrPb3 中电子能带的非平庸拓扑性质. 通过分析提取出两个振荡频率Fα =3.54 T 和Fβ =7.43 T. 进一步利用 Lifshitz-Kosevich 公式以及朗道量子化理论, 得到两个对应费米面的载流子有效质量分别为 mα* =0.006m0 和 mβ* =0.008m0 , 同时它们的贝里相位分别为?αB = (1 .32±0.25)π 和?βB = (1 .10±0.25)π. 这些结果表明 SrPb3 中存在有效质量接近于零的相对论费米子和非平庸拓扑能带. SrPb3 中超导电性与非平庸拓扑能带的共存, 为研究超导与拓扑的关联以及探索拓扑超导体提供新的研究体系.     

纳米尺度下超导体和拓扑绝缘体的电输运特性

超导体和拓扑绝缘体研究是当前凝聚态物理领域中的重大课题.文章重点介绍了作者所在实验室在纳米超导和拓扑绝缘体电输运领域的实验进展,其中包括金属和铁磁纳米线中的超导近邻效应、半金属纳米线中的新奇超导特性、拓扑绝缘体薄膜中的量子输运以及超导态-拓扑量子态的相互作用等,并对该领域的进一步发展进行了展望.     

第二类拓扑外尔半金属WP2高压超导相的常压截获

第二类拓扑外尔半金属WP₂高压下发生超导转变,然而,高压超导相能否在常压截获还没有相关报道.本文对密封于金刚石对顶砧中的WP₂高压超导相在室温条件下快速卸压至不同压强,原位测量电阻-温度曲线,验证能否在常压截获高压超导相.研究表明：WP₂的高压超导相可以在常压截获,从而提供了一个通过角分辨光电子能谱和扫描隧道谱探寻马约拉纳零能模的拓扑超导体材料平台.     

拓扑绝缘体/超导体异质结中的近邻效应

拓扑超导体自身具有对量子退相干天然的免疫性以及可编织性,这使得它在现代量子计算领域中受到了越来越多的重视,并且成为了下一代计算技术中最有希望的候选者之一。由于拓扑超导态在固有拓扑超导体中相当罕见,因此,当前大部分实验上的工作主要集中在由 s 波超导体与拓扑绝缘体之间通过近邻效应所诱导的拓扑超导体上。本论文中,我们回顾了基于拓扑绝缘体/超导体异质结的拓扑超导体的研究进展。在理论上,Fu 和 Kane 提出,通过近邻效应将 s 波超导体的能隙引入到拓扑绝缘体,可以诱导出拓扑超导电性。在实验上,我们也回顾了一些不同体系中的拓扑超导近邻效应的研究进展。文章的第一部分,我们介绍了一些异质结,包括：三维拓扑绝缘体 Bi2Se3和 Bi2Se3 与 s 波超导体NbSe2 以及 d 波超导体 Bi2Sr2CaCu2O8+δ 的异质结,拓扑绝缘体 Sn1−xPbxTe 与 Pb 的异质结,二维拓扑绝缘体 WTe2 与NbSe2 的异质结。此外,还介绍了 TiBiSe2 在 Pb 上的拓扑绝缘近邻效应。另一部分中,我们对基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结进行了回顾,包括著名的基于 Fu-Kane 体系的拓扑绝缘体约瑟夫森结,以及基于约瑟夫森结的超导量子干涉器件。     

基于拓扑绝缘体纳米线约瑟夫森结的反常临界超流增强和半整数夏皮洛台阶

基于拓扑绝缘体材料的约瑟夫森结是寻找马约拉纳零能模的候选器件,因而受到拓扑量子计算研究领域的关注.这方面实验的关键之一,是制备具有优质结区的约瑟夫森器件.本工作在三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃和Bi₂(Se_xTe_1-x)₃纳米线上制作了约瑟夫森结器件,研究了其结区的超导邻近效应、多重安德列夫反射和超流-相位关系,观测到了约瑟夫森结的临界超流随磁场增大而反常地增大、其交流约瑟夫森效应出现半整数的夏皮洛台阶的实验结果.本文还讨论了这些反常现象的可能来源,特别是与结区界面处超导电极的Ti缓冲层和拓扑绝缘体纳米线中的Te元素形成TiTe铁磁性合金层的关系.     

铁基高温超导体电子结构的角分辨光电子能谱研究

铜氧化物超导体和铁基超导体是人类相继发现的两类高温超导家族,它们的高温超导机理是凝聚态物理领域中长期争论但悬而未决的重大问题.对铁基超导体广泛而深入的研究,以及与铜氧化物高温超导体的对比,对于发展新的量子固体理论、解决高温超导机理、探索新的超导体以及超导实际应用都具有重要意义.固体材料的宏观物性由其微观电子结构所决定,揭示高温超导材料的微观电子结构是理解高温超导电性的前提和基础.由于角分辨光电子能谱技术具有独特的同时对能量、动量甚至自旋的分辨能力,已成为探测材料微观电子结构的最直接、最有力的实验手段,在高温超导体的研究中发挥了重要作用.本文综述了在不同体系铁基超导体中费米面拓扑结构、超导能隙大小和对称性、轨道三维性和选择性、电子耦合模式等的揭示和发现,为甄别和提出铁基超导新理论、解决高温超导机理问题提供重要依据.     

Unconventional superconductivity

‘Conventional’ superconductivity, as used in this review, refers to electron–phonon-coupled superconducting electron pairs described by BCS theory. Unconventional superconductivity refers to superconductors where the Cooper pairs are not bound together by phonon exchange but instead by exchange of some other kind, e.g. spin fluctuations in a superconductor with magnetic order either coexistent or nearby in the phase diagram. Such unconventional superconductivity has been known experimentally since heavy fermion CeCu₂Si₂, with its strongly correlated 4f electrons, was discovered to superconduct below 0.6?K in 1979. Since the discovery of unconventional superconductivity in the layered cuprates in 1986, the study of these materials saw T_c jump to 164?K by 1994. Further progress in high-temperature superconductivity would be aided by understanding the cause of such unconventional pairing. This review compares the fundamental properties of 9 unconventional superconducting classes of materials – from 4f-electron heavy fermions to organic superconductors to classes where only three known members exist to the cuprates with over 200 examples – with the hope that common features will emerge to help theory explain (and predict!) these phenomena. In addition, three new emerging classes of superconductors (topological, interfacial – e.g. FeSe on SrTiO₃, and H₂S under high pressure) are briefly covered, even though their ‘conventionality’ is not yet fully determined.     

铁基超导体的扫描隧道显微镜研究进展

铁基高温超导体自2008年发现以来,对其超导电性的研究一直是一个热门的课题.扫描隧道显微镜能够在原子尺度进行表面形貌和隧道谱测量,从微观角度研究电子态密度的信息,是研究超导的重要谱学手段.近年来,在铁基超导电性方面,扫描隧道显微镜实验已经积累了一些有价值的结果,本文进行了总结介绍.铁基超导体是多带多超导能隙的超导体,不同材料的费米面结构有很大的变化.扫描隧道显微镜证明,同时有电子和空穴费米面最佳掺杂的铁基样品超导能隙结构是无节点并带有能隙符号变化的s^±波.而进一步的实验发现在没有空穴费米面的FeSe基超导体中也存在能隙符号的相反,对统一铁基超导体的配对对称性提供了重要实验证据.此外,扫描隧道显微镜在研究铁基超导体的电子向列相、浅能带特性、可能的拓扑特性方面,提供了重要的实验数据.本文对上述相关内容进行了总结,并做了相应分析和讨论.     

高压下氢基高温超导体研究的新进展

富氢材料被认为是室温超导体的最佳候选体系,是物理学、材料科学等多学科的热点研究领域之一。理论和实验研究发现的新型共价氢化物H3S和笼状氢化物LaH10的超导转变温度(T_c)均超过200 K,进一步推动了对富氢化合物超导电性的探索。最近,通过高压实验合成的碳质硫氢化物在288 K的室温下实现了零电阻,让人们看到了室温超导的曙光。本文结合课题组在此领域的主要成果,介绍了3类典型富氢化合物的结构及超导特性,包括近期首次在层状氢化物中发现的具有类五角石墨烯结构的富氢超导体HfH₁₀,其超导转变温度高达213~234 K。     

LaO1-xFxBiS2 层状材料超导电性研究

层状材料一直是超导研究领域的热点材料, 陆续有数十种新型的层状超导材料被不断发现, 从至今为止超导转变温度最高的铜氧化物材料, 到铁基超导, 再到诸多新型的层状材料, 学者们关于超导微观机制的理解也在随之更新, 从取得成功的 Bardeen-Cooper-Schrieffer 经典理论到至今无法解释的非常规超导机制, 研究之路从未停止. 本文将研究利用助熔剂法合成的 LaO1 -xFxBiS2 材料的结构、 电阻、 磁化率等性质, 并与国际社会上已存在的研究成果进行对比, 同时从晶体结构、 压力效应、 体超导电性、 临界温度、 微观机制五个方面, 对近年发现的镧系铋硫基层状超导材料的研究情况进行讨论.     

Topological insulator: Spintronics and quantum computations

Topological insulators are emergent states of quantum matter that are gapped in the bulk with timereversal symmetry-preserved gapless edge/surface states, adiabatically distinct from conventional materials. By proximity to various magnets and superconductors, topological insulators show novel physics at the interfaces, which give rise to two new areas named topological spintronics and topological quantum computation. Effects in the former such as the spin torques, spin-charge conversion, topological antiferromagnetic spintronics, and skyrmions realized in topological systems will be addressed. In the latter, a superconducting pairing gap leads to a state that supports Majorana fermions states, which may provide a new path for realizing topological quantum computation. Various signatures of Majorana zero modes/edge mode in topological superconductors will be discussed. The review ends by outlooks and potential applications of topological insulators. Topological superconductors that are fabricated using topological insulators with superconductors have a full pairing gap in the bulk and gapless surface states consisting of Majorana fermions. The theory of topological superconductors is reviewed, in close analogy to the theory of topological insulators.     

高温超导体电子结构和超导机理的角分辨光电子能谱研究

超导是一种奇异的宏观量子现象.100多年来,已发现的超导体主要分为两类:以金属或者合金为代表的常规超导体以及以铜氧化物和铁基高温超导体为代表的非常规超导体.常规超导体的超导机理能被BCS超导理论完美解释,但高温超导体的超导机理至今仍未达成共识,已经成为凝聚态物理领域中长期争论且充满挑战的重大科学问题.从实验上揭示非常规超导材料的微观电子结构,是理解其奇异正常态和超导电性机理、建立新理论的前提和基础.角分辨光电子能谱技术,由于可以实现对材料中电子的能量、动量和自旋的直接测量,在高温超导研究中发挥了重要的作用.本文综述了我们利用角分辨光电子能谱技术在铜氧化物和铁基高温超导体电子结构和超导机理研究中取得的一些进展,主要包括母体的电子结构、正常态的非费米液体行为、超导态的能带和超导能隙结构以及多体相互作用等.这些结果为理解铜氧化物和铁基高温超导体的物性及超导机理提供了重要的信息.     

高压下氢基超导体的研究进展

实现室温超导一直是人们长期追寻的梦想,寻找和合成出具有室温超导性的新材料已成为 凝聚态物理学家和材料物理学家的“圣杯”。近年来,随着理论和实验相继发现超导临界温度高于 200 K 的 H3S 和 LaH10,氢基超导体已逐渐成为实现室温超导的最佳候选,成为物理学、材料科 学等多学科研究的热点领域之一。在本文中,我们将概述超导材料的发展历史和几种典型超导材 料,重点介绍当前高压下氢基超导体的研究进展及面临的挑战,详细讨论中低压力范围氢基高温 超导体的设计思路,展望氢基超导体在低压甚至常压下实现高温乃至室温的可能性。     

超导研究领域中的马梯亚斯奖、巴丁奖和昂纳斯奖

2011年是超导电性发现100周年.本文介绍了除诺贝尔奖之外,专门在超导研究领域设立的3个物理学奖项:马梯亚斯奖、巴丁奖和昂纳斯奖.这3个奖项分别奖励在超导材料、超导理论和超导实验领域做出卓越贡献的物理学家.迄今为止,已有35位著名物理学家获此殊荣.