近日，beat365官方网站量子材料科學中心王健教授課題組與合作者在拓撲籠目磁體TbMn6Sn6/非超導金屬異質結界面處發現了超導态。該工作以“拓撲籠目磁體/金屬異質結構中發現超導性”（Emergent superconductivity in topological-kagome-magnet/metal heterostructures）為題，于2023年11月2日發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
2016年，王健課題組與合作者首次報道了在三維狄拉克拓撲半金屬Cd3As2與非超導金屬針尖界面處的超導現象。随後，研究團隊陸續在其它拓撲半金屬與非超導金屬針尖的界面處觀測到了超導信号, 如TaAs和TaP。由于拓撲（半）金屬具有拓撲非平庸的能帶結構，因此在其與金屬界面處出現的超導态可能繼承其拓撲非平庸性，從而表現出拓撲超導特征，在拓撲量子計算領域具有重要的潛在應用價值。
近年來，具有較強面外亞鐵磁性的籠目磁體TbMn6Sn6引起了廣泛的關注。在TbMn6Sn6的晶格結構中，Mn原子組成的籠目晶格結構與Tb原子具有相反的面外磁矩，表現出居裡溫度為423 K的亞鐵磁性基态。相關理論表明，在籠目晶格結構中，強自旋軌道耦合和面外的鐵磁序将産生陳數能隙狄拉克費米子，這一理論預測也得到了實驗的證實。作為一種典型的磁性籠目拓撲金屬，TbMn6Sn6本身并無超導性。鑒于TbMn6Sn6具有拓撲非平庸的電子能帶以及亞鐵磁性，若能通過界面工程，在其表面誘導出超導，則該超導态很有可能為手性拓撲超導态。
近日，王健課題組與beat365官方网站量子材料科學中心謝心澄院士、賈爽教授、高鵬教授，以及首都師範大學教師王賀、蘇州大學江華教授、波士頓學院汪自強教授等合作，在拓撲籠目磁體TbMn6Sn6/非超導金屬異質結界面處發現了超導态。實驗結果表明，界面超導态的出現與TbMn6Sn6材料的鐵磁性緊密相關，且超導态具有準二維的特性。考慮到界面處同時具備準二維超導、超導鐵磁耦合以及強自旋軌道耦合，TbMn6Sn6/金屬異質結具備了産生二維手性拓撲超導态的全部條件，從而為研究自旋三重配對和拓撲超導态提供了一個新方向。
王健課題組通過界面工程的方法，将非超導金屬薄膜沉積在TbMn6Sn6樣品的（001）表面，成功誘導出了界面超導态（見圖1a）。在（001）面上鍍膜後産生的超導态具有磁滞效應，說明該超導态能夠與鐵磁性共存（見圖1b）。進一步的超導臨界場角度依賴實驗表明，該界面超導态具有準二維超導特征（圖1c、1d）。此外，王健課題組還通過點接觸實驗技術，在不同類型的金屬針尖和TbMn6Sn6之間形成的異質結構中探測到了超導信号（如圖1e），在點接觸界面出現的超導态中，同樣觀測到了磁滞效應（見圖1f）。
圖1 TbMn6Sn6/非超導金屬異質結構的超導電性。a通過标準四電極法檢測的TbMn6Sn6（s7）單晶（001）表面蒸鍍10 nm 厚Au膜的超導電性證據。磁場沿平面外方向（B||c軸）施加。其中B= 0 T, 0.12 T, 0.145 T, 0.175 T, 0.21 T, 0.25 T, 0.3 T, 0.45 T, 0.7 T, 和1 T。b在不同溫度下（B||c軸）對覆蓋有10 nm Au膜的s7的磁阻測量。插圖：在0.02 T下歸一化電阻的溫度依賴性。0.4 K時電阻下降到R6K的近40%。c2 K下TbMn6Sn6樣品（s10）覆蓋10 nm厚Au膜的磁場轉角磁阻曲線。其中θ是磁場與TbMn6Sn6樣品c軸之間的角度。Rn是3 T時B||c軸的磁阻。d覆蓋10 nm厚金膜的s10樣品的臨界磁場随磁場與樣品夾角的變化曲線（Bc(θ)），表明觀測到的超導具有準二維的特征。ePtIr金屬針尖與TbMn6Sn6單晶的(001)面形成的點接觸界面的歸一化點接觸電阻（R/R5K），在零場（藍色，B= 0 T）和非零場（綠色，B= 3 T）下随着溫度的變化曲線。插圖：點接觸示意圖，磁場以沿着垂直方向（B||c軸）。f圖e的點接觸态的磁阻曲線具有磁滞現象。
在拓撲籠目磁體TbMn6Sn6/金屬異質結中觀測到超導電性對于研究拓撲超導具有重要的物理意義。在異質結構中實現拓撲超導的一種傳統策略是将s波超導體、具有Rashba自旋軌道耦合的二維半導體和鐵磁絕緣體堆疊在一起（圖2a），但到目前為止這一方案尚未得到實驗證實。在本工作中，非超導金屬/TbMn6Sn6異質結構界面處的超導現象（圖2b）包含了在二維系統中産生手性拓撲超導（圖2c）所需的所有基本要素：超導鐵磁耦合、強自旋軌道耦合、準二維超導。因此，本工作為探索二維手性拓撲超導态提供了一個新的實驗方案。此外，值得一提的是作為一種典型的拓撲磁體，TbMn6Sn6的居裡溫度為423K。這是首次在居裡溫度超過室溫的材料體系中報道超導性。
圖2 TbMn6Sn6/非超導金屬異質結構界面超導的理論圖像。as波超導體（SC）/具有Rashba自旋軌道耦合（SOC）的二維半導體（2DSM）/鐵磁（FM）絕緣體堆疊層中通過近鄰效應誘導的拓撲超導理論示意圖。bTbMn6Sn6/金屬異質結構中産生界面超導的示意圖。c圖b所示界面超導的色散關系示意圖。其中E0是塞曼能隙，虛線圓标記的‘pairing’是指當化學勢μ處于E0中時，在外側能帶中形成的超導庫珀對。
該論文中，王健和汪自強為共同通訊作者，王賀、beat365官方网站量子材料科學中心博雅博士後劉彥昭和宮明，以及江華為共同第一作者。該工作得到了北京市自然科學基金、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、量子物質科學協同創新中心、中國博士後科學基金、北京市教委項目基金，美國能源部基礎能源科學基金以及科學進步研究公司的 Cottrell SEED 獎的支持。
論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42779-1。
