Sci. Bull. :中國科學家首次在外爾半金屬表面誘導出非常規超導

北京大學物理學院量子材料科學中心王健教授與危健研究員、劉雄軍研究員、賈爽研究員以及浙江大學王勇教授等人合作，首次在非超導的外爾半金屬TaAs晶體表面用針尖硬點接觸誘導出非常規超導，分析表明可能是拓撲非平庸超導。拓撲超導的邊界態呈現無能隙馬約拉納費米子或零能束縛態，其中馬約拉納零能束縛態可被用于可容錯的拓撲量子計算，是當前物質科學領域的重要前沿。因此，這一發現不僅為研究外爾半金屬中奇異超導態開辟了路徑，也證實了針尖硬點接觸對拓撲材料物性的調制是探索潛在拓撲超導和馬約拉納費米子的新的實驗手段。

這一工作以“Discovery of tip induced unconventional superconductivity on Weyl semimetal”為題作為封面文章發表在Science Bulletin（《科學通報》英文版）2017年第6期上。北大王健教授、危健研究員、劉雄軍研究員為文章共同通訊作者。北大博士生王賀、王慧超與陳玉琴為文章共同一作。共同作者駱佳偉同學協助了點接觸譜的測量。實驗中用到的TaAs單晶是由北大賈爽研究員和袁竹君同學制備的。對TaAs的透射電鏡表征是由浙江大學的王勇教授和劉軍同學完成的。

拓撲超導體體態為具有能隙的超導態，其表面、邊緣或末端呈現為無能隙的馬約拉納費米子或零能非平庸束縛態。理論研究表明馬約拉納零能模可作為重要載體用于拓撲量子計算，也即可容錯的量子計算。因此拓撲超導的研究具有重要的科學意義和應用前景。國際上通常利用超導近鄰效應探尋拓撲超導，也即通過超導體與拓撲絕緣體或強自旋軌道耦合的材料接觸，來誘發并探測馬約拉納零能束縛態。雖然沿這一方向的研究已取得了重要進展，但相關實驗結果仍存在爭議，還需更多的拓撲超導相關證據。2016年，北京大學王健與危健、劉雄軍、謝心澄、賈爽等合作，創新性地用針尖硬點接觸的實驗方法在非超導的拓撲狄拉克半金屬Cd₃As₂單晶表面誘導出可能的拓撲超導態，為探索拓撲超導和馬約拉納零能模提供了新的思路（Nature Materials 2016, 15:38）。

外爾費米子是理論預測有著確定手性的無質量的狄拉克費米子，自1929年起一直未曾在基本粒子中觀測到。然而2015年外爾半金屬外爾點附近的低能激發被證實為外爾費米子，此外，外爾半金屬還具有拓撲非平庸的費米弧表面態，若能超導，則有較多可能成為拓撲超導體。在Science Bulletin這篇封面文章中，科研人員利用PtIr針尖對實驗證實的外爾半金屬TaAs單晶做針尖硬點接觸實驗時發現，針尖與TaAs（001）晶面的接觸區域被調制成超導。點接觸譜中零壓電導峰與雙電導峰和雙電導谷的共同特征表明超導是非常規的，進一步的理論分析揭示出該超導態極有可能繼承了TaAs單晶的非平庸拓撲性而成為拓撲超導態。同時，研究發現鎢針尖也可在外爾半金屬TaAs表面誘導出超導，雖然鉑銥針尖誘導出的超導更強，但硬度較差的金針尖無法誘導出超導。這一發現表明硬點接觸在微米級接觸區域的類單軸壓力對誘導出超導起著關鍵性作用，而且不同針尖材料，即使硬度都很強，誘導出超導的能力不同，因此點接觸區域的摻雜效果或針尖樣品兩種異質材料的能帶情況也對超導出現起著重要作用。這一工作不僅是首次在完全證實的外爾半金屬TaAs中實現了超導，為探索拓撲超導體提供了一個新的平臺，也為外爾費米子如何構成超導庫珀對以及外爾費米子與馬約拉納費米兩種理論預測的新奇粒子的相互作用和轉化提供了研究平臺，因此具有重要的科學意義。

圖1：PtIr針尖在TaAs樣品表面的點接觸譜測量。 (a) 零偏壓點接觸電阻對溫度的依賴關系揭示了典型的超導相變。插圖：點接觸測量示意圖。 (b) 溫度為0.5 K時，不同垂直場下的歸一化微分電導譜。深藍色曲線代表零場下的測量結果。 (c)從0.5 K到6.0 K，特定溫度下的歸一化電導譜。 (d) 低溫區間不同溫度下零偏壓電導峰的演變。

Fig. 1 Point contact measurements between a PtIr tip and the TaAs crystal. (a) Temperature dependence of zero-bias PC resistance showing typical superconducting transition. Inset: Schematics of the PCS measurement configuration. (b) Normalized dI/dV spectra at 0.5 K under different out-of-plane magnetic fields. The navy blue line denotes zero field measurement. (c) Normalized dI/dV spectra at selected temperatures from 0.5 to 6.0 K. (d) Zoom in of the normalized ZBCP.

此外，北大王健、危健、馮濟、劉雄軍等人組成的科研團隊對理論預測拓撲非平庸的Au₂Pb晶體展開了系統研究。Au₂Pb本身就是超導體，這與Cd₃As₂和TaAs不同。點接觸實驗表明，當采用較軟的金針尖時，點接觸得到的超導T_c與標準四極法測得的Au₂Pb體超導的T_c一致。然而當采用硬的鎢針尖時，點接觸區域的超導T_c明顯得到了增強（npj Quantum Materials 2016, 1:16005）。這一結果進一步證實了針尖點接觸實驗探測超導的可靠性，以及作為一種新的調制手段在誘導超導或增強超導方面的普適性。

點接觸實驗在超導的研究歷史中起過重要作用。但用針尖硬點接觸的方法，將非超導的拓撲材料變為超導，這是北大科研團隊的原創性工作。TaAs實驗中硬點接觸針尖是非超導的，拓撲樣品也是非超導的，但接觸點區域變得超導，這就與傳統點接觸實驗采用的超導樣品和非超導點接觸電極情形不同，傳統的點接觸理論從未考慮過這種情形。因此這一發現有望吸引更多的理論和實驗科學家對此進行深入的研究。

上述研究得到國家重大科學研究計劃(2013CB934600、2012CB927400、2012CB921300、 2016YFA0301604)、高等學校博士學科點專項科研基金、華中科技大學脈沖強磁場開放課題基金(PHMFF2015002)、低維量子物理國家重點實驗室開放基金以及國家自然科學基金(11474008 & 11574008)等項目經費的資助。

參考文獻

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He Wang, Huichao Wang, Haiwen Liu, Hong Lu, Wuhao Yang, Shuang Jia,? Xiong-Jun Liu, X. C. Xie, Jian Wei, Jian Wang. Observation of superconductivity induced by a point contact on 3D Dirac semimetal Cd3As2 crystals, Nature Materials 2016, 15:38–42 , Doi: 10.1038/nmat4456

Ying Xing, He Wang, Chao-Kai Li, Xiao Zhang, Jun Liu, Yangwei Zhang, Jiawei Luo, Ziqiao Wang, Yong Wang, Langsheng Ling, Mingliang Tian, Shuang Jia, Ji Feng, Xiong-Jun Liu, Jian Wei, Jian Wang. Superconductivity in topologically nontrivial material Au2Pb, npj Quantum Materials 2016, 1: 16005,?Doi: 10.1038/npjquantmats.2016.5

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