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拓扑超导自被预言以来,其应用前景一直备受瞩目,寻找理想的拓扑超导材料也是凝聚态物理研究中积极发展的一个前沿方向。目前实现拓扑超导的办法之一是构造拓扑绝缘体/超导体异质结,通过超导的临近效应在拓扑绝缘体上诱导出超导,这一超导可能是拓扑非平庸的拓扑超导。铜氧化物是目前临界温度最高的超导材料,其超导能隙也非常大,因此是构造构造拓扑绝缘体/超导体异质结的较好的材料。但是最近关于这一形式的异质结在拓扑绝缘体层是否存在超导电性,一直存在争议,之前诸多实验组的结果并不统一。

南京大学物理学院闻海虎、杨欢教授团队利用分子束外延技术在铜氧化物高温超导体Bi2Sr2CaCu2O8+δ(Bi2212)表面上成功生长出拓扑绝缘体Bi2Te3,利用扫描隧道显微镜能看到很好的表面原子图像。进一步利用扫描隧道显微隧道,在不同厚度的Bi2Te3薄膜表面第一次原位探测到了超导的隧道谱形,其中两个结构单元(~2 nm)厚度的薄膜能隙有7.6 meV,通过对隧道谱的拟合发现在Bi2Te3薄膜上诱导超导需要有各向异性。Bi2Te3薄膜表面能隙的大小随着膜厚的增加不断减小,与临近效应诱导超导的预期一致。

 

 图1.(a-f)2QL-Bi2Te3/Bi2212异质结上测量到的准粒子相干散射图像,各向异性的准粒子相干散射图像在很小的能量出现,在超导能隙能量以上消失;(g)Bi2Te3拓扑绝缘体表面态的动量空间费米面示意图;(h)拓扑表面态的二度对称性的超导能隙及在最大能隙内的表面态动量空间的费米面强度示意图;(i)各向异性能隙下模拟得到的能隙内准粒子相干散射图像。


进一步利用准粒子相干散射测量,得到不同能量下的测量结果,如图1(a-f)所示。可以发现这些图像在低能处显示出明显的二度对称性,随着测量能量的增加,正常态六度对称的散射图像也逐渐完整,最终表现出各向同性的表面态费米面。经过模拟分析(图1g-i)发现这个二度对称性很有可能来自Bi2Te3的拓扑表面态上打开了一个二度对称的超导能隙,其能隙最小值沿着样品的某一个Γ-K方向。这种能隙函数也与之前的理论预言相吻合,因此证明了Bi2Te3薄膜上的超导可能是拓扑超导。该工作为研究铜氧化物高温超导体诱导的可能的拓扑绝缘体提供了重要的实验信息。该工作以Rapid Communications的形式发表在Physical Review B上【Physical Review B 101, 220503(R) (2020)】。