南京大学闻海虎/杨欢团队Science子刊:拓扑绝缘体/铁基超导体异质结中发现二度对称超导!
杨欢 闻海虎 2020-09-16

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第一作者:陈明扬

通讯作者:闻海虎,杨欢

通讯单位:南京大学物理学院

 

研究亮点:

1. 首次在拓扑绝缘体/超导体异质结构中,通过扫描隧道显微镜的准粒子相干散射的手段观测到具有二度对称性的超导能隙,能隙最小值出现在某一个Γ-K方向,与理论预期的拓扑超导态相吻合。

2. 在加磁场条件下观测到拉长的磁通,拉长的方向即能隙最小值方向,也在某一个Γ-K方向。

 

       拓扑超导是目前凝聚态物理领域中一个非常重要的研究方向。该方向受到广泛关注的主要原因是因为人们预期通过调控拓扑超导态,包括调控此状态下会出现的马约拉纳费米子(Majorana),实现新一类的量子计算。而实现这个目标的关键一步是获得具有体性质的拓扑超导态。


       根据理论上的定义和要求,拓扑超导态的超导能隙必须具有满足时间反演不变的奇宇称配对对称性。其典型特征之一是超导能隙具有二度对称性。自然界中已知的具有这种对称性的超导体非常稀少,通常在掺杂的拓扑绝缘体和拓扑绝缘体/超导异质结中实现。因此人们一直期待直接观测到拓扑超导态的奇异配对对称性。


       有鉴于此,南京大学物理学院闻海虎教授团队在成功构造的Bi2Te3/ FeTe0.55Se0.45异质结上,利用扫描隧道显微镜进行了深入研究,首次微观观测到具有二度对称性的超导能隙和与之对应拉长的超导磁通,并以此确定了拓扑超导的配对对称函数的具体形式,与理论在该类材料中预言的某一类拓扑超导态相吻合。

 

研究人员在高质量FeTe0.55Se0.45单晶表面通过分子束外延技术,成功生长出高质量的Bi2Te3薄膜,从而构造出Bi2Te3/FeTe0.55Se0.45异质结,而上层Bi2Te3薄膜由于邻近效应形成了超导。

 

利用扫描隧道显微镜,清晰地观测到了铁基超导体基底和拓扑绝缘体薄膜原子级别的形貌特征,并且大面积的形貌图表明,生长的薄膜质量很高,有利于进一步的实验测量。通过测量的隧道谱,可以看出,随着薄膜厚度的增加,拓扑绝缘体的狄拉克点位置向着费米能移动,费米能附近的隧道谱表明随着薄膜厚度增加临近效应诱导的超导能隙逐渐变小。

 

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图1. FeTe0.55Se0.45及Bi2Te3薄膜的形貌特征和隧道谱表征。(A)FeTe0.55Se0.45单晶表面测量的原子形貌;(B) Bi2Te3薄膜原子形貌;(C) 不同厚度的Bi2Te3薄膜形貌;(D) FeTe0.55Se0.45及不同厚度Bi2Te3薄膜的隧道谱;(E) FeTe0.55Se0.45及不同厚度Bi2Te3薄膜超导相关的隧道谱。

 

进一步,在两个量子单元厚度(2 QL)的薄膜上进行了准粒子相干散射的研究,结果如图2所示。当测量能量低于0.5 mV时(图2A,B),没有明显的强度信息出现,说明超导能隙没有节点存在,能隙最小值在0.5 meV以上。当测量能量处于1.0 mV和1.5 mV之间时(图2C,D),在一对Γ-K方向首先出现了散射强度,在强度随角度变化的图1G中可以更明显地观察到;随着测量能量的增加,其他方向的散射强度逐渐出现(图2E,F),最终形成一个完整的正常态六边形轮廓。对此合理的解释是超导能隙具有二度对称性,能量从零逐渐增加时,能隙小的某个Γ-K方向的准粒子首先变为正常态被散射,当能量达到最大能隙值,所有的准粒子都被激发,形成了具有六度对称的图样。通过分析可以得到这样的结论,能隙最小值方向在样品的某一个Γ-K方向,能隙的二维和三维示意图如图2H,I所示。

 


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图2.  Bi2Te3/ FeTe0.55Se0.45异质结的准粒子相干散射结果标明能隙的二重对称性。(A-F) 不同能量准粒子散射的傅里叶变换图;(G) 中间能量沿着费米面积分得到的散射强度随角度变化图;动量空间对应的能隙分布示意图(H)和能隙分布三维示意图(I)。

 

      此外,通过施加垂直于基平面的磁场,观测到了沿着晶格方向拉长的磁通(图3A,B),而且沿着或者垂直拉长的方向测量得到的磁通束缚态有很大的区别(图3C,D)。上述结果和衬底FeTe0.55Se0.45单晶上观测的有很大差别,证明是临近效应诱导的表面Bi2Te3薄膜超导形成的磁通。磁通的形状能反应超导能隙结构特征,拉长的方向即对应能隙较小的方向,这与上面准粒子相干散射分析得到的能隙较小的某个Γ-K方向一致,进一步确认了二度对称性结构的超导能隙。

 

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图3. 在异质结表面观测到拉长的磁通也标明能隙的二度对称性。(A) 拉长的磁通,磁通拉长方向为某一个原子晶格方向。(B) 观测到的由拉长磁通组成的磁通格子。(C,D) 沿着拉长磁通方向和垂直于该方向测量得到的隧道谱,可以发现能隙内磁通束缚态沿着两个方向有很大区别。

 

       总之,这项研究通过构造Bi2Te3/FeTe0.55Se0.45异质结,利用临近效应诱导表面拓扑绝缘体薄膜形成超导,利用准粒子相干散射和磁通观测两种手段,确认了拓扑绝缘体薄膜上由邻近效应诱导产生的超导能隙具有二度对称的结构。

 

值得一提的是,这项工作是南京大学闻海虎团队基于最近在铁基超导体FeTe0.55Se0.45单晶磁通态研究的基础上进行的【Nature Communications 9, 970 (2018)】,在该材料中首次清晰地观测到了54年前理论上预言的磁通芯子中分离的束缚磁通量子态,并且证明了该铁基超导体具有很小的费米能,对铁基超导机理具有重要的推动作用。


该工作应用了扫描隧道显微镜的准粒子相干散射技术,该技术被团队成功应用于研究铁基超导体轨道选择的超导配对对称性上【Nature Communications 7, 10565 (2016)和NaturePhysics 14, 134 (2018)】。

 

参考文献:

Mingyang Chen, Xiaoyu Chen, Huan Yang, Zengyi Duand Hai-Hu We. Superconductivity with twofold symmetry in Bi2Te3/FeTe0.55Se0.45 heterostructure. Science Advances 4, eaat1084 (2018).


作者简介:

闻海虎,南京大学教授,博士生导师,美国物理学会会士(APS Fellow),长江学者特聘教授,国家杰出青年基金获得者,南京大学超导物理和材料研究中心主任,课题组长。在包括Nature Physics、Nature Communications在内的SCI杂志上发表论文380余篇,他人引用超过8000次,h-index 50,在国内外重要学术会议上作邀请报告100余场,已经培养出博士20余名。目前任npj Quantum Materials副主编,Physica C、Philosophical Magazine、Chinese PhysicsLetters、《中国科学G辑》、《物理学进展》和《中国材料进展》等杂志的编委。课题组致力于新型超导材料的合成,高温超导体材料和单晶样品的物理性质研究,新型高温超导机理和超导体磁通动力学研究。


杨欢,南京大学物理学院教授,博士生导师。2012年获教育部“新世纪优秀人才支持计划”支持,2014年获江苏省杰出青年基金支持,2016年获教育部“长江学者奖励计划”的青年项目支持。到目前为止共发表SCI学术论文70余篇,SCI他引2300余次,h因子26,发表的文章中第一/通讯作者的文章21篇,包括Nature子刊7篇,PRL文章1篇。

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