上海交通大学:Science!

2021年12月10日(正式出版),上海交通大学郑浩、贾金锋及麻省理工学院傅亮共同通讯在Science 在线发表题为“Discovery of segmented Fermi surface induced by Cooper pair momentum”的研究论文,该研究使用准粒子干涉对靠近超导体NbSe2的Bi2Te3薄膜的场控费米表面进行成像。一个小的外加面内磁场会引起屏蔽超电流,从而导致Bi2Te3拓扑表面态的有限动量配对。该研究确定了不同的干涉图案,表明具有分段费米表面的无间隙超导状态。该研究结果揭示了有限库珀对动量对准粒子谱的强烈影响。

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总之,该工作创新性地利用拓扑绝缘体/超导体异质结的特殊性解决了实验中的困难,首次在实验上观察到了50多年前理论预言的分段费米面,并发现可以用磁场方向和大小来调节这个费米面的形状和大小,还能调控拓扑性,构建新的拓扑超导,该工作开辟了调控物态的新方法。

固体物理的基本知识告诉我们材料费米面附近的态密度决定了它们是否导电、是否透光等各种物性。传统的物态调控都是调控费米面附近态密度,如果能够实现费米面的人工调控,就会给材料物性的调控带来革命性的变化。

超导体具有零电阻导电和完全抗磁性等奇特性质,是物理学中一个长盛不衰的研究课题;由于费米能级处超导能隙的存在,超导体均无费米面。早在1965年,Fulde从理论上预言超导体中如果库珀对的动量足够大就可以在超导能隙中产生准粒子,从而导致出一种特殊的“分段费米面” [Phys. Rev. 137, A783-A787 (1965)]。但由于普通超导体库珀对动量足够大时,产生准粒子的同时,库珀对也会破裂而失去超导,因此要观察到这个“分段费米面”实验上非常困难。这个预言虽然过去了50多年,一直没有被实验证实。

研究团队使用分子束外延技术在超导体NbSe2表面精确的生长了4层厚的拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜。在这个体系中,由于Bi2Te3表面态的费米速度很大,因此,当NbSe2超导体中库珀对动量还很小时,Bi2Te3表面态中库珀对动量已经很大(见图1A)。这样,就可以用一个很小的水平磁场在NbSe2表面上产生一个较小的超导电流,但这时Bi2Te3表面态中库珀对动量已经足够产生准粒子,并导致分段费米面的出现,巧妙地解决了实验上的困难。他们使用配备了稀释制冷机和三维矢量强磁场的扫描隧道显微镜来开展研究,如图1所示,随着磁场增大,库珀对动量也在提高,超导能隙内准粒子越来越多(能隙底部越来越不探零,见图1D和图1E),预示着超导体中分段费米面逐渐产生。

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图1 A. Bi2Te3/NbSe2超导异质结示意图。B. 生长在NbSe2衬底上的高质量Bi2Te3薄膜形貌图。C. Bi2Te3薄膜的原子分辨图。D, E. 在不同大小和方向的面内磁场作用下,隧道谱中来源于准粒子的信号逐渐增加。

更进一步,团队成员利用准粒子干涉(QPI)技术,在实空间探测到了驻波(见图2A-C,G-I),通过傅里叶变换证实了在零能上费米面的产生。值得注意的是,该费米面是由非超导Bi2Te3费米面的一部分组成,而且其形状和取向可以由外加磁场的强度和方向决定(见图2D-F,J-L),完全符合理论预言的超导体分段费米面的特征。

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图2 A到C和G到I, 分别沿Γ-K和Γ-M方向施加40mT的磁场后,实空间产生的驻波图案。D到F和J到L,对A到C和G到I进行相应的傅里叶变换,产生与磁场方向依赖的准粒子干涉信号。

该工作创新性地利用拓扑绝缘体/超导体异质结的特殊性解决了实验中的困难,首次在实验上观察到了50多年前理论预言的分段费米面,并发现可以用磁场方向和大小来调节这个费米面的形状和大小,还能调控拓扑性,构建新的拓扑超导,该工作开辟了调控物态的新方法。

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上海交通大学为本文的第一单位。上海交通大学朱朕博士和美国麻省理工学院Papaj博士为本文的共同第一作者,上海交大郑浩教授、贾金锋教授和麻省理工学院傅亮教授为本文的共同通讯作者。本工作获得了科技部、基金委,中科院先导项目,上海市科委和博士后项目的资助。

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