物质学院陈宇林-柳仲楷课题组首次验证过渡金属硫族化合物中拓扑超导电子态

ON2021-06-03CATEGORY科研进展

拓扑超导体是一类性质奇特的超导体。与普通超导体相同,其在超导温度下表现零电阻现象,超导的电子会打开一个能量间隙从而获取更低的能量;另一方面,由于非平庸拓扑性质的保护,拓扑超导体的边界存在无能隙的金属态,其准粒子元激发为马约纳拉费米子。马约纳拉费米子为其自身的反粒子,服从非阿贝尔统计,故可用作拓扑超导计算比特。因此,拓扑超导体被认为是实现容错拓扑量子计算机的理想材料。

近日,我校物质学院陈宇林-柳仲楷课题组在新型拓扑超导材料研究中取得重要进展:在具有化学配比的层状过渡金属硫化物2M-WS2中观测到拓扑表面态,并在超导转变温度以下观察到各向同性的超导能隙,从而首次在实验中证实其具有本征拓扑超导电子态。该成果目前以“Observation of topological superconductivity in a stoichiometric transition metal dichalcogenide 2M-WS2”为题,于5月17日在权威学术期刊Nature Communications上在线发表。

拓扑超导材料是近年凝聚态物理的研究前沿领域。拓扑超导体的边界或磁通涡旋中蕴含马约纳拉费米子。作为研究此种非平凡准粒子的平台,拓扑超导体对于基础物理研究具有深刻的内涵,对于高容错性拓扑量子计算也具有深远的应用潜力。当前,已知拓扑超导材料具有超导转变温度低、样品组分不均匀或者生长制备工艺复杂等各类问题。因此,寻找具有化学组分均匀、超导转变温度高、易制备处理等优良性质的拓扑超导材料,成为了该领域的研究重点。

我校陈宇林-柳仲楷课题组长期对拓扑量子材料展开广泛深入的研究,在新型拓扑超导材料的攻关中取得一系列成果。在本研究中,陈宇林-柳仲楷课题组利用基于先进的同步辐射光源和上科大实验室高能量分辨率深紫外激光的角分辨光电子能谱技术,对高质量2M-WS2能带结构进行了系统的研究。实验首次观察到带反转结构及具有各向异性的狄拉克型拓扑表面态,其结果与第一性原理计算完美吻合。在超导温度以下,实验发现体态和表面态均打开能量尺度相近且各向同性的超导能隙,证实了该体系中基于体-表面自近邻效应的拓扑超导性。此项发现是拓扑超导领域研究的重要进展,2M-WS2亦是首个被实验证实的过渡金属硫化物族拓扑超导材料,且具有该家族中最高的常压超导转变温度。

此项工作由亚博意甲联赛赞助|首页欢迎您、牛津大学、清华大学、南京大学、中科院上海硅酸盐研究所等单位科研团队协作完成。亚博意甲联赛赞助|首页欢迎您物质学院博士后李一苇、2019级博士研究生郑慧君、南京大学博士研究生张冬芹和中科院上海硅酸盐研究所博士后方裕强为共同第一作者,亚博意甲联赛赞助|首页欢迎您物质学院特聘教授陈宇林、助理教授柳仲楷与清华大学副教授杨乐仙、中科院硅酸盐研究所研究员黄富强、南京大学教授张海军为通讯作者。亚博意甲联赛赞助|首页欢迎您为第一完成单位。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、博士后国际交流计划引进项目等项目基金的大力支持。

文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-021-23076-1


图:本征拓扑超导材料2M-WS2电子结构。(a)体-表面自近邻效应拓扑超导示意图。(b)2M-WS2正常态(左)与超导态的能带结构示意图。(c)费米面与能带结构的角分辨光电子谱三维展示。(d)拓扑表面态能带色散的理论计算(左)和实验结果(右)比较。(e)拓扑表面态和体态的超导能隙随温度的演化。(f)各向同性的超导能隙。