科技资讯写作大赛｜薛其坤院士Sci.Bull.：外延β-Bi2Pd薄膜上拓扑超导态和Majorana零模的实验观察

材料人首届科技资讯写作大赛自5月13日发布征稿通知以来（参赛详情请戳我），受到读者们的广泛关注。本文由SCI期刊Science Bulletin编辑部投稿。

【背景介绍】

拓扑超导态是一种新兴的量子物质相，区别于传统的超导体，拓扑超导体的表面具有受拓扑保护无超导能隙的边界态，可承载反粒子是其自身的马约拉纳费米子（Majorana Fermions）或零能模。这种神秘的粒子服从非阿贝尔量子统计，可以实现容错的拓扑量子计算。拓扑超导体因其能承载这类神秘费米子被认为是实现未来永远不会出错的量子计算机的理想载体。在拓扑超导体中寻找Majorana零能模是现今凝聚态物理学研究的重中之重。

【成果简介】

为了寻找结构简单的拓扑超导体，清华大学的薛其坤院士和宋灿立助理教授（共同通讯）等人最近在β-Bi₂Pd薄膜上取得重要进展。区别于体单晶，分子束外延制备的β-Bi₂Pd薄膜中拓扑表面态在低温下打开一个受时间反演对称性保护的超导能隙，且该能隙由于表面处空间反演对称性破缺导致的奇偶配对势混合被显著提高。在外加磁场下，他们在磁通涡旋中心附近观察到了马约拉纳零能模的迹象。这些结果提供了β-Bi₂Pd为拓扑超导体令人信服的实验证据。

【图文导读】

图1 分子束外延β-Bi₂Pd薄膜的拓扑超导电性和马约拉纳零能模

（a）外延β-Bi₂Pd薄膜大面积形貌图（400nm x 400 nm），插图是β-Bi₂Pd晶体结构示意图

（b）低温下（0.4K）的微分电导谱，其中Δ_b和Δ_s分别对应于β-Bi₂Pd薄膜体超导和表面超导的能隙

（c）零偏压下扫描隧道显微谱图像, B = 0.5 T；图像尺寸为200 nm x 200 nm; 蓝色代表超导态的低电导区域, 黄色为正常态的磁通中心

（d, e）磁通涡旋中心处的微分电导谱（d）以及它随空间的演化（e）;其中零偏压电导峰随远离磁通涡旋中心减弱但不劈裂的行为符合马约拉纳零能模的特征

【总结】

本文通过分子束外延技术制备β-Bi₂Pd薄膜并调控其化学势在单一材料中实现了拓扑超导态和马约拉纳零能模的实验观察，同时提供了在含有重元素的传统超导体中寻找拓扑非平庸超导态和马约拉纳零能模的新途径。在单一材料中实现拓扑超导态可以避免之前研究拓扑超导异质结体系的结构复杂性，有助于无争议地观察到马约拉纳零能模并实现基于它们的拓扑量子计算。

文献链接：Experimental signature of topological superconductivity and Majorana zero modes on β-Bi₂Pd thin films (Sci. Bull., 2017, DOI:10.1016/j.scib.2017.05.008)

本文由材料人纳米组段鹏超供稿，材料牛整理编辑。

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