《自然-物理》报道实验室拓扑绝缘体/高温超导体近邻效应研究最新成果

2013年10月08日

《自然-物理》报道实验室拓扑绝缘体/高温超导体近邻效应研究最新成果

低维量子物理国家重点实验室周树云研究组、陈曦/薛其坤研究组和高等研究院姚宏研究员,最近在拓扑绝缘体和高温超导体异质界面的超导近邻效应研究中取得重要进展。他们首次利用分子束外延(MBE)在高温超导体Bi2Sr2CaCu2O8+d(BSCCO)上制备出高质量Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜,进而在拓扑绝缘体的表面态中观察到高达15 meV的超导能隙。该项工作开启了拓扑绝缘体/高温超导体异质界面的研究进程,并且提供了一个可能实现在拓扑量子计算中具有重要应用潜力的“马约拉纳零能模”的新体系。

拓扑绝缘体是一种新型的量子物质态。虽然它的体态为绝缘体,但其表面具有受时间反演对称性保护的导电拓扑表面态。拓扑表面态与对称性破缺态如超导态的耦合,将有可能导致一系列新奇的量子现象。例如,拓扑表面态与超导态的耦合,将有可能在磁场涡旋中产生“马约拉纳零能模”。这种“马约拉纳零能模”是具有零能量的“马约拉纳费米子”(一种反粒子为自身的粒子),满足非阿贝尔统计,因此在拓扑量子计算中具有重要应用前景。在拓扑绝缘体中实现马约拉纳零能模的首要条件是必须使其表面态具有超导电性。目前在拓扑绝缘体中实现的拓扑超导态具有较小的超导能隙(~1 meV)和较低的超导临界温度(Tc < 10 K),使得马约拉纳零能模的探测极具挑战性。增大超导配对能隙的大小和提升超导临界温度,将有利于马约拉纳零能模的实现。


一个可能的途径是利用大能隙的高温超导体材料。BSCCO是铜氧化物高温超导体的一种,其超导能隙和超导临界温度远远大于传统超导体(Tc ~ 91 K)。利用MBE技术,陈曦/薛其坤研究组成功地在高温超导体BSCCO上制备出厚度精确可控的高质量拓扑绝缘体 Bi2Se3薄膜。周树云研究组利用角分辨光电子谱(ARPES),在厚度为7 QL的Bi2Se3薄膜样品中探测到由于超导近邻效应导致的高达15 meV的能隙。更为有意思的是,虽然BSCCO中的超导能隙具有d波超导特有的各向异性,但在Bi2Se3表面态上观测到的能隙是各向同性的,与s波超导体类似。高等研究院姚宏研究员从对称性角度分析指出,拓扑绝缘体表面态诱导出的超导态可能兼具s波和d波对称性的部分;由于拓扑绝缘体具有更长的超导相干长度,其d波部分更容易受到无序的破坏而s波部分则不易被破坏。这个工作不仅揭示了拓扑绝缘体/高温超导体异质结存在奇特的量子现象,同时也为实现马约拉纳零能模提供了一个可能的新体系。


该成果以“Fully gapped topological surface states in Bi2Se3 films induced by a d-wave high-temperature superconductor”为题发表在2013年10月的Nature Physics上,文章的共同第一作者为博士生王二印和丁浩。合作者还包括美国劳伦兹伯克利国家实验室的Alexei Fedorov、布鲁克海文国家实验室的Genda Gu和中科院物理所的马旭村、何珂和王立莉。本工作得到了国家自然科学基金委、中组部青年千人计划、教育部和清华大学自主科研计划的资助。