近日，復旦大學物理學系教授修發賢課題組在拓撲半金屬Cd3As2與超導的異質結中觀察到了Cd3As2的表面超導態。5月17日，相關研究成果以《由近鄰效應產生的狄拉克半金屬Cd3As2表面超導》(“Proximity-induced surface superconductivity in Dirac semimetal Cd3As2”)為題在線發表于《自然 通訊》(Nature Communications, DOI:10.1038/s41467-019-10233-w)。
馬約拉納費米子是一種新奇準粒子，滿足非阿貝爾統計，是實現可容錯的拓撲量子計算的物質基礎。近年來，拓撲超導材料因其邊界態中存在馬約拉納費米子已成為凝聚態物理領域的重要研究方向之一。將拓撲材料轉變成超導態是一個探索拓撲超導的有效方法之一。三維拓撲半金屬作為一種新型拓撲量子材料，其能帶上具有狄拉克錐結構，并且具有豐富多樣的非平庸表面邊界拓撲態，是實現馬約拉納費米子的理想體系。要在拓撲半金屬中實現拓撲超導，首先需要將這些邊界態轉變成超導態。盡管理論上已經有很多預言，實驗上目前并沒有實驗完全證實這些邊界態的超導形式。
為實現拓撲半金屬的超導，修發賢課題組在前期三維狄拉克半金屬Cd3As2納米片的費米弧表面態輸運研究的基礎上，與香港科技大學羅錦團（Kam Tuen Law）等課題組合作，在Cd3As2納米片上蒸鍍一層超導的Nb，形成Nb/Cd3As2和Nb/Cd3As2/Nb的異質結，通過近鄰效應將超導傳遞到Cd3As2中。研究表明，在Nb/Cd3As2的界面中，通過微分電導譜輸運測量發現寬電導平臺和零偏壓的寬峰，分別對應Cd3As2的表面費米弧和體態的超導，并且費米弧與超導的耦合遠強于體態。通過改變Cd3As2的厚度可以改變Cd3As2的表面費米弧與體態比重，可以觀察到對應的費米弧和體態超導能隙的變化。同時，羅錦團課題組對Nb/Cd3As2的理論模擬進一步證實了觀察到的費米弧和體態超導。
基于Nb/Cd3As2很好的超導近鄰效應，課題組研究了基于Cd3As2的約瑟夫森結（Nb/Cd3As2/Nb）的物理性質。通過超導量子干涉（Superconducting Quantum Interference）測量，觀察到超導電流幾乎完全由Cd3As2的上下表面流過，實驗中超導臨界電流與磁場關系是一個SQUID形狀。這與以前在類似的拓撲絕緣體的表面態超導電流特征非常不同。在拓撲絕緣體中，表面態是各向同性的，各個方向會相互干擾很難形成單個方向上很好的邊界電流，并且需要將費米能級調控至體態能隙中以避免體態的影響。然而，在三維狄拉克半金屬Cd3As2中，由于體態和表面費米弧對于超導耦合能力差距很大，可以避免體態的干擾，以至于表面態只在y方向的兩邊才存在，可以形成很完美的表面超導電流。這些特性都是Cd3As2費米弧超導的有力證據。
圖，Cd3As2費米弧超導的示意圖
該項研究成果首次在三維拓撲半金屬中實現了費米弧的超導（如圖所示），這相當于二維量子自旋霍爾絕緣體的一維超導邊界態的高維度類推，對于深入理解邊界態超導具有重要意義；同時，基于理論預言，Cd3As2的超導費米弧可在a.c.約瑟夫森效應中實現馬約拉納費米子的一種新的表現形態：馬約拉納平帶。這為探索拓撲超導提供了新的思路和實驗手段，也為拓撲量子計算機的最終實現提供了前期的科研基礎。
該工作由復旦大學物理學系修發賢、王熠華課題組，香港科技大學羅錦團課題組，沈陽金屬所韓拯課題組，北京大學林熙課題組，澳大利亞昆士蘭大學鄒進課題組，北京工業大學韓曉東、陳艷輝課題組合作完成。工作獲得了復旦大學物理學系、應用表面物理國家重點實驗室、國家重點研發計劃、基金委優秀青年基金和面上項目的大力支持與資助。論文的第一單位為復旦大學物理學系，復旦大學物理學系教授修發賢為通訊作者，修發賢課題組博士生黃策和香港科技大學羅錦團課題組博士生周桐為共同第一作者。
修發賢課題組主要從事拓撲材料的生長、量子調控以及新型低維原子晶體材料的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生長、物性測量以及量子器件的制備與表征。在新型低維原子晶體材料的器件方面主要研究其電學、磁學和光電特性。
