復旦大學Nat. Commun.：Dirac半金屬Cd3As2中的鄰近誘導表面超導性
【引言】
在過去十年里，關于拓撲相的研究一直是凝聚態物理領域的重點問題之一。在拓撲相的大家族里，可用離散無能隙點(nodes)來表征的拓撲Weyl半金屬和Dirac半金屬受到了眾多關注。參考Weyl點或Dirac點，這些塊體中的無能隙點可被邊界處拓撲保護的表面態形成的開弦連接，稱作Fermi-arc態。由于其反常的電磁響應，以及塊體和表面Fermi-arc態之間有趣的相互作用，近年來研究人員開展了拓撲半金屬的眾多工作。與拓撲半金屬的Dirac性質迅速發展所并行的，還有對其超導態的研究。主要目標是研究潛在的非傳統超導性，有預測表明，在以Cd3As2為例的Dirac半金屬中的Fermi-arc態中可發現馬約拉納平帶（Majorana flat band），進而研究其拓撲超導特性，實現馬約拉納費米子，并進一步應用于拓撲量子計算中。
【成果簡介】
Cd3As2是一類三維狄拉克半金屬，在動量空間具有分立的Dirac點。盡管針對其奇異性質已開展過多項輸運和光譜學研究，但實驗上目前并沒有實驗完全證實其表面態的超導形式。近日，復旦大學修發賢教授（通訊作者）課題組在Nature Communications上發表了題為“Proximity-induced surface superconductivity in Dirac semimetal Cd3As2”的文章，該工作由復旦大學、香港科技大學、中科院沈陽金屬所、北京大學、澳大利亞昆士蘭大學、北京工業大學、先進微結構協同創新中心多家單位合作完成。文章報道了Nb/Cd3As2 雜化結構中的鄰近誘導表面超導性。四端輸運測量識別出表面處顯著的鄰近誘導對能隙，在微分電導譜中體現為平整的電導平臺，且與理論模擬結果相符。在面外/面內磁場下，Nb/Cd3As2/Nb結的超導電流也相應達到了類Fraunhofer/SQUID模式。合成分布圖顯示隨著塊體內載流子耗盡和表面態與超導更強的耦合，超導電流分布主要處于塊體的上下表面，可視為和二維量子自旋霍爾絕緣體中類似的更高維度的邊界超導電流。
【圖文導讀】
圖1：Nb/Cd3As2 異質結鄰近誘導超導性和微分電導譜。
(a)帶有測量方法的器件（#1）偽彩色掃描電子顯微鏡圖片；
(b)2K時微分電導譜（紫線）與電極3、電極5之間界面電阻的歸一化R-T曲線（黑線）之間的關系；RT曲線中共有三個相變發生，其中位于8.4K的 Tc1與Nb的超導相變溫度符合（后面證實為表面態的超導）， Tc2~8.2K為體態超導的溫度（在內插圖中放大該區域后能較為明顯的被觀察到），而Tc2~4.0K對應另一個超導近鄰效應。這三個相變所對應的電阻突變大小均可與dI/dV中不同的性質所對應；
(c)界面電阻RInterface的零場溫度相關dI/dV曲線，使用9K時基態電導進行歸一化，電導的平臺（BICP）和零偏壓電導峰（ZBBP）均隨著溫度變低而變大，黑色實線為用BTK模型擬合的ZBBP，從而證明ZBBP來自安德烈夫反射（Andreev reflection）；
(d)2K處界面電阻RInterface的磁場相關dI/dV曲線，使用9K時基態電導進行歸一化，可觀察到BICP和ZBBP隨磁場變大均變小，黑色實線為BTK模型擬合的結果；
(e)Δs和Δd?隨溫度的變化關系，虛線是用BCS擬合得到的，說明近鄰效應產生的Cd3As2的超導能隙是符合s-wave的；
(f)Δs和Δd?隨磁場的變化關系，虛線是用BCS擬合得到的，內插圖表明磁場方向垂直于Nb/Cd3As2平面。
圖2：通過控制Cd3As2厚度得到不同塊體/表面通道比重，進一步測得Cd3As2中的dI/dV曲線。
(a.b) 兩個體系由頂部至底部的異質結示意圖：由于鄰近誘導超導性塊體和表面通道共存，超導序參量在Cd3As2離界面不同距離的區域有不同幅度的衰減；
(c-f) 2K時，#01，#02，#03，#04器件中界面電阻的歸一化微分電導譜；其中c-d器件中體態和表面態共存，表現出BICP和ZBBP共存，而e-f中Cd3As2由表面態載流子占主導，表現出比較寬的BICP和相對忽略不計的ZBBP。內插圖為四個器件的SEM示意圖。
(g)Δs和Δb 隨表面振蕩/塊體振蕩相對幅度變化情況。
圖3：Nb/Cd3As2 異質結中dI/dV和超導鄰近效應的數值模擬。
(a)表示Nb/Cd3As2結中Andreev反射和超導鄰近效應的簡要示意圖；當超導Nb層覆蓋在Cd3As2表面上時，近鄰效應產生的庫珀對會同時存在與體態和表面態中；紅色和藍色的小球代表了不同自旋方向的電子和空穴，虛線代表了Andreev反射的過程；
(b,c) Nb/Cd3As2結中歸一化Andreev反射振幅的數值計算。其中b圖中Cd3As2的費米面在Dirac點附近（EF=0 ），主要由表面態參與Andreev反射過程，只有BICP沒有ZBBP；而c圖中Cd3As2的費米面遠離Dirac點（EF = 70 meV ），表面態和體態共同參與Andreev反射過程，BICP和ZBBP在微分電導譜中共存；
(d)超導Nb聚集并將近鄰效應作用于Cd3As2表面后Cd3As2上表面的態密度分布圖（EF = 70 meV）。大的超導帶隙 來自費米弧表面態（對應了表面的高局域態密度），而小的帶隙 來自體態（對應了表面的低局域態密度）。
圖4：Nb/Cd3As2/Nb Josephson結的表征。
(a)基于140nm厚Nb(裝置#06)的120nm厚Cd3As2納米片組成Josephson結的掃描電子顯微鏡圖片；
(b)用四端輸運法測得該Cd3As2 Josephson結電阻隨溫度的特性，在1K左右，結電阻降到0，發生了Josephson效應。通過Halperin–Nelson 方程擬合得到其超導轉變符合二維超導特征，由于Cd3As2厚度已遠大于二維的范疇，該結果是表面超導的證據；
(c)50mK下零磁場環境中，處于超導態的Josephson結（臨界電流Ic為1μA）的I-V特征曲線。
圖5：Josephson結超導電流密度的特性。
(a)左圖為磁場沿平面外方向的Josephson結示意圖，沿著x方向Cd3As2中充滿了超導電流，并且沿z軸方向電流密度均勻分布；右圖為對應的臨界電流隨著磁場的關系分布，符合Fraunhofer模式；
(b)左圖為磁場沿平面內（z軸）方向的Josephson結示意圖，超導電流密度沿著y方向電流密度不均勻，主要集中于上下表面；右圖為對應的臨界電流隨著磁場的關系分布，符合SQUID模式；
(c)35mK時約瑟夫森結的微分電阻隨磁場分布情況，表現出單縫干涉的均一超導電流密度特征；
(d)圖(c)中的數據進行反傅里葉變換得到沿z軸的超導電流分布，整個區域里電流密度均不為0，說明了超導電流沿z方向分布較均勻；
(e)磁場沿平面內方向時的微分電阻分布，臨界電流大小與磁場關系表現出類SQUID模式；
(f)圖(e)中的數據進行反傅里葉變換得到沿y軸的超導電流分布，超導電流集中與兩端，也就是上下表面，證明了表面區域的超導電流，而體內超導電流密度很小。同時用高斯分布擬合出了上下表面通道的厚度大約為 13~14μm。
圖6：超導的Cd3As2 Fermi arc態的示意圖。
【小結】
基于鄰近誘導超導能隙和表面超導電流空間分布這兩個特性的研究，該工作報道了對Cd3As2表面強鄰近誘導超導性的觀測。通過對Nb/Cd3As2異質結的輸運測量，可以觀察到表面處顯著的鄰近誘導能隙(Δs )，其大小相當于Nb的超導帶隙。相當大的表面鄰近帶隙對應在微分電導譜中是一個平滑的電導平臺。比較來看，塊體的鄰近能隙要小得多(Δb~0.14Δs )，對應微分電導譜中的零偏壓寬峰。進一步的理論計算證實了觀察所得的電導平臺/ZBBP和表面/塊體態中鄰近誘導能隙之間的關系。通過改變不同厚度的Cd3As2樣品中表面/體態比重，電導平臺/ZBBP的大小比重表現出對應的變化。此外，使用超導量子干涉測量Nb/Cd3As2/Nb Josephson結，在表面態主導Cd3As2 Josephson結中觀察到SQUID模式，表明超導電流主要集中在Cd3As2的上下表面。
文獻鏈接：Proximity-induced surface superconductivity in Dirac semimetal Cd3As2（Nat. Commun. 2019，10(1): 2217）
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本文由Isobel撰稿。
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