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Majorana费米子探寻的新进展
Time:2014-11-05

最近,《物理评论快报》【Phys. Rev. Lett. 112, 217001 (2014)】报道了上海交通大学大学物理与天文系低维物理与界面工程实验室贾金锋教授与浙江大学许祝安、张富春,复旦大学陈炎,美国宾州州立大学刘荧教授的合作研究成果。他们利用极低温、强磁场扫描隧道显微镜对Bi2Te3/NbSe2拓扑绝缘体/超导体异质结构进行了深入研究,取得了一系列研究成果。他们首次证明了该体系是一个人造拓扑超导体,在这种由近邻效应引起的拓扑超导中,他们又在国际上率先成功观察到了量子磁通涡旋(Vortex)和其中的束缚态(Andreev lower energy bound states),为进一步探测Majorana费米子奠定了基础。


理论预言拓扑超导体表面会存在Majorana费米子,所以它迅速成为续拓扑绝缘体以后又一个国际科研界的研究热点。然而,自然界中到目前为止还没有发现具有拓扑性质的超导体。所以,对于拓扑超导的研究大多只能停留在理论阶段。理论研究提出,如果把超导体放到拓扑绝缘体表面,通过超导近邻效应,把拓扑表面态变成超导,就可以成为一种新型的拓扑超导体。但由于拓扑绝缘体较差的热稳定性和界面反应,在拓扑绝缘体表面成功生长出超导材料是非常困难的。

 

2012年,我系贾金锋教授领导的低维物理与界面工程研究团队巧妙地解决了这一困难。他们在材料选取和薄膜生长方面进行了系统的研究,利用先进的分子束外延手段成功地在超导衬底上生长出界面原子级清晰且电接触非常良好的拓扑绝缘体/超导异质结构,Bi2Se3/NbSe2,顺利地实现了超导电子对和拓扑表面态的共存,为在凝聚态物理领域探寻Majorana费米子构建了新奇的材料平台。该重要成果被发表在《Science》上。


最近,他们又在以上工作的基础上进一步证明这种拓扑绝缘体/超导异质结构是一种具有特殊性能的人造拓扑超导体。他们以相同的分子束外延法成功地制备出质量更好的拓扑绝缘体/超导体异质结:Bi2Te3/NbSe2。在极低温(400 mK)和强磁场(0-3 T)的环境下,他们利用扫描隧道显微镜/谱对其进行了细致的研究,发现当Bi2Te3厚度达到3层,拓扑表面态形成以后,超导能隙会偏离BCS理论给出的现状,这说明拓扑表面态变成了超导,对超导能隙有所贡献,即该异质结构是拓扑超导。更为重要的是,他们首次在近邻效应诱导的超导体中观测到了量子磁通涡旋,对单个磁通涡旋的研究也表明Bi2Te3薄膜表面的超导是拓扑超导。在磁通涡旋的中心,他们还成功地测量到了束缚态。理论预言:Majorana费米子就隐藏在这些束缚态中,进一步研究将可能揭开Majorana费米子的神秘面纱。这一实验结果表明该实验室在探寻Majorana费米子的道路上又迈出了重要的一大步。
 

 

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