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拓扑超导是目前凝聚态物理研究中的一个重要前沿方向。拓扑超导体中能够激发出与自身反粒子等同的马约拉纳费米子或模,有助于实现容错性的拓扑量子计算,但自然存在的拓扑超导非常少见。前期,南京大学物理学院闻海虎教授、杨欢教授团队在铁基超导体FeTe0.55Se0.45上成功生长出拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜,并在两个结构单元(2 quintuple-layer,2-QL)的厚度上观测到具有二度对称性的超导能隙,这种能隙符合理论预言的拓扑超导的Δ4y形式【Sci. Adv. 4, eaat1084 (2018)】,为研究拓扑超导态提供了一种崭新的材料平台。

最近,闻海虎教授和杨欢教授团队进一步利用扫描隧道显微镜(STM)测量生长在FeTe0.55Se0.45衬底的不同厚度的Bi2Te3薄膜。他们发现,0.2 T磁场下1-QL厚度的Bi2Te3异质结上,磁通表现出较好的六度对称性,沿着表面薄膜晶格方向延伸出六条射线,磁通芯子呈现星型的形状,如图1a所示。在2-QL薄膜上因为拓扑超导磁通芯子表现出二度对称性,但在1-QL薄膜上六度对称的磁通表明其磁通结构主要由表面Bi2Te3薄膜的费米面的对称性所决定,证明1-QL薄膜表面的超导是拓扑平庸的。在较高磁场(0.7 T),最近邻磁通间的射线发生弯曲,相邻的磁通之间一对射线互相连接,表现出一种新的花瓣状的磁通样式,如图1b所示。


1 (a,b) 不同磁场下1-QL厚度Bi2Te3/FeTe0.55Se0.45异质结磁通图像(c) 0.2 T 磁场下3-QL厚度Bi2Te3薄膜的磁通图像 (d,e) 沿晶格a方向和垂直于a方向的空间分布的微分电导线谱。

3-QL厚度的Bi2Te3薄膜上测量到的磁通形貌与2-QL薄膜上测量的结果类似,沿着某一个晶格方向拉长,呈现二度性,如图1c所示。这一对称性和基于该体系提出的拓扑超导的能隙形式对应,证明了其中可能的拓扑超导。进一步在沿着磁通拉长方向测量的空间分布的超导能谱中,可以观察到基本不随空间劈裂的零偏压电导峰(1e),可能是马约拉纳零能模该结果表明在Bi2Te3/Fe(Te,Se)异质结中,当拓扑绝缘体厚度超过2-QL时,表明存在可能的拓扑超导。这项工作于20231122日在线发表在【Phys. Rev. B 108, 184512 (2023)】。

该成果是闻海虎教授、杨欢教授团队独立完成的,陈凯伦同学为文章第一作者,闻海虎教授和杨欢教授为共同通讯作者。此工作得到国家重点研发计划、自然科学基金等项目和人工微结构科学与技术协同创新中心的支持,在此表示感谢。