Sci. Bull. :中国科学家首次在外尔半金属表面诱导出非常规超导

北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授与危健研究员、刘雄军研究员、贾爽研究员以及浙江大学王勇教授等人合作，首次在非超导的外尔半金属TaAs晶体表面用针尖硬点接触诱导出非常规超导，分析表明可能是拓扑非平庸超导。拓扑超导的边界态呈现无能隙马约拉纳费米子或零能束缚态，其中马约拉纳零能束缚态可被用于可容错的拓扑量子计算，是当前物质科学领域的重要前沿。因此，这一发现不仅为研究外尔半金属中奇异超导态开辟了路径，也证实了针尖硬点接触对拓扑材料物性的调制是探索潜在拓扑超导和马约拉纳费米子的新的实验手段。

这一工作以“Discovery of tip induced unconventional superconductivity on Weyl semimetal”为题作为封面文章发表在Science Bulletin（《科学通报》英文版）2017年第6期上。北大王健教授、危健研究员、刘雄军研究员为文章共同通讯作者。北大博士生王贺、王慧超与陈玉琴为文章共同一作。共同作者骆佳伟同学协助了点接触谱的测量。实验中用到的TaAs单晶是由北大贾爽研究员和袁竹君同学制备的。对TaAs的透射电镜表征是由浙江大学的王勇教授和刘军同学完成的。

拓扑超导体体态为具有能隙的超导态，其表面、边缘或末端呈现为无能隙的马约拉纳费米子或零能非平庸束缚态。理论研究表明马约拉纳零能模可作为重要载体用于拓扑量子计算，也即可容错的量子计算。因此拓扑超导的研究具有重要的科学意义和应用前景。国际上通常利用超导近邻效应探寻拓扑超导，也即通过超导体与拓扑绝缘体或强自旋轨道耦合的材料接触，来诱发并探测马约拉纳零能束缚态。虽然沿这一方向的研究已取得了重要进展，但相关实验结果仍存在争议，还需更多的拓扑超导相关证据。2016年，北京大学王健与危健、刘雄军、谢心澄、贾爽等合作，创新性地用针尖硬点接触的实验方法在非超导的拓扑狄拉克半金属Cd₃As₂单晶表面诱导出可能的拓扑超导态，为探索拓扑超导和马约拉纳零能模提供了新的思路（Nature Materials 2016, 15:38）。

外尔费米子是理论预测有着确定手性的无质量的狄拉克费米子，自1929年起一直未曾在基本粒子中观测到。然而2015年外尔半金属外尔点附近的低能激发被证实为外尔费米子，此外，外尔半金属还具有拓扑非平庸的费米弧表面态，若能超导，则有较多可能成为拓扑超导体。在Science Bulletin这篇封面文章中，科研人员利用PtIr针尖对实验证实的外尔半金属TaAs单晶做针尖硬点接触实验时发现，针尖与TaAs（001）晶面的接触区域被调制成超导。点接触谱中零压电导峰与双电导峰和双电导谷的共同特征表明超导是非常规的，进一步的理论分析揭示出该超导态极有可能继承了TaAs单晶的非平庸拓扑性而成为拓扑超导态。同时，研究发现钨针尖也可在外尔半金属TaAs表面诱导出超导，虽然铂铱针尖诱导出的超导更强，但硬度较差的金针尖无法诱导出超导。这一发现表明硬点接触在微米级接触区域的类单轴压力对诱导出超导起着关键性作用，而且不同针尖材料，即使硬度都很强，诱导出超导的能力不同，因此点接触区域的掺杂效果或针尖样品两种异质材料的能带情况也对超导出现起着重要作用。这一工作不仅是首次在完全证实的外尔半金属TaAs中实现了超导，为探索拓扑超导体提供了一个新的平台，也为外尔费米子如何构成超导库珀对以及外尔费米子与马约拉纳费米两种理论预测的新奇粒子的相互作用和转化提供了研究平台，因此具有重要的科学意义。

图1：PtIr针尖在TaAs样品表面的点接触谱测量。 (a) 零偏压点接触电阻对温度的依赖关系揭示了典型的超导相变。插图：点接触测量示意图。 (b) 温度为0.5 K时，不同垂直场下的归一化微分电导谱。深蓝色曲线代表零场下的测量结果。 (c)从0.5 K到6.0 K，特定温度下的归一化电导谱。 (d) 低温区间不同温度下零偏压电导峰的演变。

Fig. 1 Point contact measurements between a PtIr tip and the TaAs crystal. (a) Temperature dependence of zero-bias PC resistance showing typical superconducting transition. Inset: Schematics of the PCS measurement configuration. (b) Normalized dI/dV spectra at 0.5 K under different out-of-plane magnetic fields. The navy blue line denotes zero field measurement. (c) Normalized dI/dV spectra at selected temperatures from 0.5 to 6.0 K. (d) Zoom in of the normalized ZBCP.

此外，北大王健、危健、冯济、刘雄军等人组成的科研团队对理论预测拓扑非平庸的Au₂Pb晶体展开了系统研究。Au₂Pb本身就是超导体，这与Cd₃As₂和TaAs不同。点接触实验表明，当采用较软的金针尖时，点接触得到的超导T_c与标准四极法测得的Au₂Pb体超导的T_c一致。然而当采用硬的钨针尖时，点接触区域的超导T_c明显得到了增强（npj Quantum Materials 2016, 1:16005）。这一结果进一步证实了针尖点接触实验探测超导的可靠性，以及作为一种新的调制手段在诱导超导或增强超导方面的普适性。

点接触实验在超导的研究历史中起过重要作用。但用针尖硬点接触的方法，将非超导的拓扑材料变为超导，这是北大科研团队的原创性工作。TaAs实验中硬点接触针尖是非超导的，拓扑样品也是非超导的，但接触点区域变得超导，这就与传统点接触实验采用的超导样品和非超导点接触电极情形不同，传统的点接触理论从未考虑过这种情形。因此这一发现有望吸引更多的理论和实验科学家对此进行深入的研究。

上述研究得到国家重大科学研究计划(2013CB934600、2012CB927400、2012CB921300、 2016YFA0301604)、高等学校博士学科点专项科研基金、华中科技大学脉冲强磁场开放课题基金(PHMFF2015002)、低维量子物理国家重点实验室开放基金以及国家自然科学基金(11474008 & 11574008)等项目经费的资助。

参考文献

He Wang, Huichao Wang, Yuqin Chen, Jiawei Luo, Zhujun Yuan, Jun Liu, Yong Wang, Shuang Jia, Xiong-Jun Liu, Jian Wei, Jian Wang. Discovery of tip induced unconventional superconductivity on Weyl semimetal, Science Bulletin 2017, 62(6)425-430 , Doi: 10.1016/j.scib.2017.02.009

He Wang, Huichao Wang, Haiwen Liu, Hong Lu, Wuhao Yang, Shuang Jia,  Xiong-Jun Liu, X. C. Xie, Jian Wei, Jian Wang. Observation of superconductivity induced by a point contact on 3D Dirac semimetal Cd3As2 crystals, Nature Materials 2016, 15:38–42 , Doi: 10.1038/nmat4456

Ying Xing, He Wang, Chao-Kai Li, Xiao Zhang, Jun Liu, Yangwei Zhang, Jiawei Luo, Ziqiao Wang, Yong Wang, Langsheng Ling, Mingliang Tian, Shuang Jia, Ji Feng, Xiong-Jun Liu, Jian Wei, Jian Wang. Superconductivity in topologically nontrivial material Au2Pb, npj Quantum Materials 2016, 1: 16005, Doi: 10.1038/npjquantmats.2016.5

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