超导体中分段费米面的发现


超导是物理学中一个长盛不衰的研究课题。超导体具有零电阻和完全抗磁性等奇特性质,同时具有重要的实际应用价值。当超导体进入超导态后,费米能级处产生能隙,所以不存在费米面。1965年,理论物理学家预言当超导体中库珀对动量足够大时,可以在超导能隙中产生准粒子,从而形成一种特殊的分段费米面。但由于传统超导体库珀对动量大到产生准粒子时,库珀对也会破裂而失去超导,该预言在过去50多年都没有被实验证实。

我们利用极低温矢量磁场磁场扫描隧道显微镜研究了拓扑绝缘体/超导体异质结中的分段费米面。通过分子束外延技术,在超导体NbSe2表面精确生长了4层厚的拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜,并确认了该体系表面存在均匀的拓扑表面态和超导能隙(图1 A-C)。在不同大小和方向的面内磁场作用下,在扫描隧道谱中观测到在超导能隙内产生丰富的准粒子激发(图1 D和E),预示着超导体中分段费米面逐渐产生。利用准粒子干涉技术,在实空间探测到费米面内散射产生的驻波,进一步通过傅里叶变换,证实了分段费米面的产生。该费米面的形状和取向可通过外加磁场的强度和方向调控(图1 F和G)。

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,开辟了调控物态的新方法。

该工作发表在Science, 374 (2021) 1381。

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;(F), (G) 准粒子干涉图案出现随磁场方向变化的分段费米面。

Researcher
Developed by SYNL. Copyright © 沈阳材料科学国家研究中心. 辽ICP备05005387号-9