陳絕緣體與超導體的界面特性近年來受到許多研究者的關注。理論研究表明，超導近鄰效應可能在陳絕緣體中誘導出拓撲超導态，進而産生服從非阿貝爾統計的馬約拉納零能模和手性馬約拉納邊緣态，有望應用于拓撲量子計算的實現。然而，科學家們目前還不知道如何從實驗上可靠地得到具有拓撲超導特性的界面，其中一個争論的焦點是如何在器件中避免出現電短路情形導緻對測量結果、乃至馬約拉納費米子态的實現産生影響。

在過去幾年中，beat365官方网站量子材料科學中心何慶林研究員帶領課題組團隊克服了多種困難，通過改進樣品制備過程中的界面控制方式，并在極低溫、強磁場條件下對一系列樣品進行表征，最終發現界面耦合強度是導緻樣品界面特性差異的一個重要因素，是實現拓撲超導體、馬約拉納費米子一維态可能存在的關鍵難點。他們的實驗結果解釋了此前不同課題組所報道的實驗現象差異的物理原因，為實現理想的拓撲超導特性提供了更為可靠的界面設計和工藝。近日，該研究成果以“在量子反常霍爾區間的超導性”（Inducing superconductivity in quantum anomalous Hall regime）為題發表于《凝聚态物理雜志》(Journal of Physics: Condensed Matter)。

何慶林認為，實驗上能否實現馬約拉納費米子一維态的關鍵在于材料的界面控制，通過界面控制，能實現超導近鄰效應強度的調制，制備出拓撲超導體，實現馬約拉納費米子一維态。為此，在本項研究中，何慶林課題組制備了多個陳絕緣體Cr:(Bi, Sb)₂Te₃與超導體Nb的異質結樣品，構建了QAH/SC/QAH器件。他們通過引入界面插層來實現界面調控，包括（1）不同厚度的氧化鋁AlO_x層，以及（2）陳絕緣體表面的自發氧化層。在這裡，界面插層的厚度t是一個關鍵參數，它既決定了界面的SC側對QAH側的超導近鄰效應強弱，也決定了QAH側對SC側電子态的影響，從而影響樣品的SC區“短接”兩個QAH區的能力。實驗表明，這兩種方法均能獲得适當的界面耦合強度，即在引入超導近鄰效應的同時避免電短路情形的出現。測量上，團隊研究了器件的兩端電導σ₁₂在不同氧化鋁厚度t下的磁電輸運行為，并通過比較這些樣品在高低磁場下的行為确定了材料的相界，得到了一個完整的相圖，如圖1所示。相圖的兩端分别是界面耦合過強的電短路态（區間I）和無有效界面耦合的量子反常霍爾态（區間III）。研究指出，對拓撲超導界面的探索需要在這兩個極限之間的區間II進行，尤其需要避免耦合過強的區間I（即圖中Ref.18所示）。在對處于區間II的樣品的測量中，團隊觀察到了可能存在的拓撲超導、馬約拉納費米子一維态的信号特征。

圖1：不同耦合強度下的相圖。QAH/SC/QAH器件的兩端電導σ₁₂在低磁場（0.5T）和高磁場下随氧化鋁厚度t的依賴關系。區域I、II和III根據σ₁₂在低磁場和高磁場下的不同響應行為進行劃分，其中，高磁場下σ₁₂随外加磁場B_z增加而遞減的情況位于區域II（陰影部分），這種遞減來自器件中的超導近鄰效應受磁場的抑制。Ref.18的數據點來自此前另一研究團隊的報道。

beat365官方网站量子材料科學中心2019級博士研究生黃昱為論文第一作者，博士研究生傅煜為第二作者，何慶林研究員為論文通訊作者。其他合作者包括加州大學洛杉矶分校的Peng Zhang、Kang L. Wang等人。上述研究工作得到國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項等支持。

論文鍊接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/ad550a