近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授王征飛與美國(guó)猶他大學(xué)教授劉鋒，清華大學(xué)教授薛其坤、研究員馬旭村，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員周興江合作，首次發(fā)現(xiàn)了鐵基高溫超導(dǎo)材料中的一種新型一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)，該研究成果發(fā)表在7月4日的Nature Materials上（DOI 10.1038/nmat4686）。
超導(dǎo)材料與拓?fù)洳牧鲜墙陙?lái)凝聚態(tài)物理研究的兩大熱點(diǎn)，應(yīng)運(yùn)而生的拓?fù)涑瑢?dǎo)材料兼具兩者特性，其內(nèi)部是超導(dǎo)態(tài)，而表面或邊界則是受拓?fù)浔Ｗo(hù)的無(wú)能隙金屬態(tài)。理論物理學(xué)家曾預(yù)言，拓?fù)涑瑢?dǎo)材料在磁場(chǎng)下的渦旋中心會(huì)產(chǎn)生馬約拉納費(fèi)米子。由于馬約拉納費(fèi)米子的反粒子就是它本身，其狀態(tài)非常穩(wěn)定，不易被傳統(tǒng)的電磁或物理干擾破壞，可以被用于定義量子計(jì)算中的量子比特，有助于解決傳統(tǒng)量子比特的退相干問(wèn)題，提高其存活時(shí)間。量子計(jì)算相比經(jīng)典計(jì)算的優(yōu)勢(shì)在于量子力學(xué)的疊加原理，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算的并行處理。為了發(fā)揮量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，硬件上需要保證量子比特的相干性，因此拓?fù)涑瑢?dǎo)材料在量子計(jì)算中有著重要的應(yīng)用前景。然而，自然界中至今還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)材料，如何設(shè)計(jì)尋找拓?fù)涑瑢?dǎo)材料已成為研究人員關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。以往的研究思路是借助外延生長(zhǎng)將拓?fù)洳牧戏胖迷诔瑢?dǎo)材料上或?qū)⒊瑢?dǎo)材料放置在拓?fù)洳牧仙�，通過(guò)鄰近效應(yīng)實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體，然而由于界面質(zhì)量、材料結(jié)晶溫度等因素的限制，這種復(fù)合材料對(duì)于生長(zhǎng)工藝的要求十分苛刻。同時(shí)，其形成的拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)的超導(dǎo)能隙較小，超導(dǎo)臨界溫度較低，這些都在不同程度上阻礙了拓?fù)涑瑢?dǎo)材料研究的進(jìn)一步發(fā)展。
為了克服上述研究瓶頸，實(shí)現(xiàn)單一材料高溫拓?fù)涑瑢?dǎo)體，研究人員以FeSe/SrTiO3這種新型高溫超導(dǎo)材料為研究對(duì)象，結(jié)合理論計(jì)算，利用掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜，系統(tǒng)地研究了其反鐵磁電子構(gòu)型，并在實(shí)空間觀測(cè)到自旋-軌道耦合所打開(kāi)的拓?fù)淠芟吨幸环N新型一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)的存在。該研究工作揭示了FeSe/SrTiO3中同時(shí)存在的超導(dǎo)與拓?fù)鋬煞N特性，因此通過(guò)電子和空穴摻雜可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)超導(dǎo)和拓?fù)淠芟兜奈恢�，這就為探索單一材料高溫拓?fù)涑瑢?dǎo)體和馬約拉納費(fèi)米子開(kāi)辟了新的研究途徑。同時(shí)該工作也有助于進(jìn)一步理解FeSe/SrTiO3的高溫超導(dǎo)機(jī)制，對(duì)于推動(dòng)鐵基高溫超導(dǎo)材料的機(jī)理研究具有重要意義。
該研究工作得到中組部青年千人計(jì)劃、基金委、科技部和中科院等項(xiàng)目的資助。
左圖：FeSe/SrTiO3 PN結(jié)藝術(shù)渲染圖，左下方是電子摻雜區(qū)域的超導(dǎo)態(tài)，右上方是空穴摻雜區(qū)域的拓?fù)鋺B(tài)（由http://d4sci.com提供）。右圖：FeSe/SrTiO3拓?fù)鋷吨幸痪S拓?fù)溥吔鐟B(tài)的理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖。
