量子材料科學中心王健課題組與合作者在拓撲外爾半金屬晶體中觀測到非平庸的超導特性

近年來，拓撲超導材料因其邊界态中存在馬約拉納費米子而引起國際學術界的持續廣泛關注。馬約拉納費米子是自身的反粒子，符合非阿貝爾統計，是實現可容錯的拓撲量子計算的物質基礎。北大量子材料科學中心王健課題組及合作者在摻硫的第二類拓撲外爾半金屬二碲化钼晶體中觀測到非平庸超導的信号，發現該材料是一種拓撲超導候選材料。同時，因其為層狀過渡金屬碲化物，具有很大的潛在應用價值。

1929年物理學家赫爾曼•外爾發現，有一種質量為零，自旋是半整數的費米子的行為滿足外爾方程，這種粒子被稱為外爾費米子。雖然目前在自然界中尚未觀測到這種基本粒子，但是近來人們在晶體中發現了滿足外爾方程的這種準粒子激發，這一類晶體被稱為拓撲外爾半金屬。在拓撲外爾半金屬中，費米面附近的準粒子激發滿足線性色散關系，可以用外爾方程描述，形狀猶如沙漏，被稱為外爾錐。與相對論粒子不同，外爾半金屬中的準粒子激發可以違反洛倫茲不變性。在拓撲外爾半金屬中，手性不同的外爾點成對出現在不同的動量位置。拓撲外爾半金屬還具有奇異的表面态，即在表面形成了連接手性不同的外爾點在表面上的投影點的線段态，稱為費米弧（Fermi Arc）。當具有拓撲性質的表面态形成超導态時會具有拓撲超導的性質。此外，超導材料根據超導能隙的對稱性，可以分為s波，p波，d波超導體等，其中s波超導材料中，如果不同超導能隙的相位不同，被稱作s+- 超導。高溫超導中的鐵基超導就被大多相關專家認為是s+- 超導。理論預言顯示，保持時間反演對稱性的拓撲外爾半金屬的體态若形成s+- 的超導态，會具有拓撲超導的性質 (Phys. Rev. B 90(4):045130)。

近日，beat365王健教授和馮濟教授，複旦大學張童教授及李世燕教授，浙江大學王勇教授，穩态強磁場科學中心（合肥）淩浪生、田明亮研究員，美國賓夕法尼亞州立大學Nitin Samarth教授等人展開合作，通過電輸運、掃描隧道譜、比熱、抗磁性等系統的實驗研究并結合第一性原理計算，在摻硫的第二類拓撲外爾半金屬二碲化钼單晶中發現了非平庸超導态的特征。實驗中所使用的硫摻雜的高質量二碲化钼晶體是通過化學氣相輸運的方法合成的，摻雜比例約為0.2。 首先通過準粒子幹涉實驗與第一性原理計算相結合，在樣品表面探測到了費米弧拓撲表面态的存在。最後通過掃描隧道譜學和比熱的測量對比，發現樣品表面态的超導能隙遠大于體态的超導能隙，而且該樣品表面态的能隙與臨界溫度的比值（Δ/kBTc）約為8.6，遠大于常規超導材料的能隙與臨界溫度的比值（約為1.76），表明了表面态具有非常規超導庫珀對配對機制，極可能是拓撲超導的普适特征。然後通過電輸運測量和比熱測量，發現這種材料為s波超導體，且它的超導能隙的帶間耦合很強，超導對稱性應為s+- 對稱性。這可能是繼鐵基高溫超導之後，又一種新的s+-超導體。而且根據理論預言，拓撲外爾半金屬中s+-對稱性的超導态會形成拓撲超導态。摻硫的第二類拓撲外爾半金屬二碲化钼單晶中拓撲超導特征的發現，證實了外爾半金屬中實現拓撲超導的可行性，推動了拓撲超導相關領域的進一步發展，也為拓撲量子計算機的最終實現奠定了前期的科研基礎。文章于2018年8月31日在PNAS上在線發表(DOI: 10.1073/pnas.1801650115)。beat365王健教授、馮濟教授和複旦大學張童教授是本文的共同通訊作者。beat365李亞楠碩士、顧強強博士和複旦大學陳晨博士為共同第一作者。

這項工作得到了國家重大科學研究計劃重點專項，國家自然科學基金，中國科學院戰略性先導科技專項等項目的資助。