《自然-物理》报道物理系在锡烯中发现超导电性

2018年1月12日

探索新型二维超导体,不仅能对理解具有二维超导特性的高温超导提供新的思路,而且还会为研究诸如量子格里菲斯相变、伊辛超导配对、玻色量子金属等奇特量子现象提供新的研究平台。近年来,人们发现一些准二维超导体还可能是拓扑超导体,这为发现马约拉纳费米子带来了希望。最近,物理系张定助理教授、徐勇助理教授和薛其坤教授研究团队在薄至两个原子层厚度的灰锡—锡烯—中,确认了二维超导电性,并揭示了其拓扑非平庸物性。该工作以《薄层锡烯中的超导电性》(Superconductivity in few-layer stanene)为题,在线发表于1月15日的《自然-物理》(Nature Physics)上。

锡的超导电性已被发现一百多年了,但这个现象仅存在于白锡(β-Sn)中。锡的另一个常见的相是灰锡(α-Sn),它是半金属,不具有超导电性。近些年,人们认识到灰锡是一种拓扑绝缘体,沿111方向的单层灰锡—锡烯(stanene)—具有类似于石墨烯的六角结构,可能具有室温量子自旋霍尔效应等一系列重要的拓扑物性。清华大学薛其坤教授、何珂教授研究组利用分子束外延生长技术,在硅(111)衬底上制备出铋碲(Bi2Te3)和铅碲(PbTe),最终在铅碲(PbTe)上生长出了高质量大面积平整的锡烯薄膜。在此基础上,张定助理教授等人开展了锡烯薄膜的极低温电、磁输运测量。出乎意料的是,他们发现厚度为两个原子层及更厚的锡烯薄膜具有二维超导电性,这是在灰锡中首次发现超导电性。研究表明,锡烯的态密度受到了衬底的调制,导致了超导电性的出现。通过改变衬底厚度,他们还实现了锡烯从单带超导体到双带超导体的转变。更有意义的是,外延生长的锡烯薄膜极其稳定,在没有任何保护层的情况下其超导电性可以长久保持(超过一年)。

除了锡烯二维超导电性的发现,该工作还为下一步在拓扑电子学方面的探索奠定了基础。徐勇助理教授等的第一性原理计算表明,锡烯本身具有反转能带结构,是拓扑非平庸的,这为拓扑超导的研究提供了新思路。由于锡烯超导层与碲化铋衬底具有原子级平整的界面,而后者是三维拓扑绝缘体,这个特点使得通过超导近邻效应实现量子化的马约拉纳零能模成为可能。

物理系博士生廖孟涵(2015级)、臧运祎(现为德国马普微结构物理所博士后)为文章共同第一作者,张定助理教授、徐勇助理教授和薛其坤教授为共同通讯作者。清华大学物理系何珂教授、王亚愚教授、马旭村研究员,美国斯坦福大学物理系张首晟教授参与了该项研究。合作者包括清华大学物理系管兆永博士、胡小鹏博士和博士生李海威(2015级)、龚演(2013级)、朱科静(2015级)。该工作得到了国家科技部、国家自然科学基金、北京未来芯片高精尖中心和国家青年千人计划等的支持。

文章链接http://dx.doi.org/10.1038/s41567-017-0031-6

图1:锡烯的原子结构及其超导库伯对的艺术示意图