近日，復旦大學物理學系教授修發(fā)賢課題組在拓撲半金屬Cd3As2與超導的異質結中觀察到了Cd3As2的表面超導態(tài)。5月17日，相關研究成果以《由近鄰效應產(chǎn)生的狄拉克半金屬Cd3As2表面超導》(“Proximity-induced surface superconductivity in Dirac semimetal Cd3As2”)為題在線發(fā)表于《自然 通訊》(Nature Communications, DOI:10.1038/s41467-019-10233-w)。

馬約拉納費米子是一種新奇準粒子，滿足非阿貝爾統(tǒng)計，是實現(xiàn)可容錯的拓撲量子計算的物質基礎。近年來，拓撲超導材料因其邊界態(tài)中存在馬約拉納費米子已成為凝聚態(tài)物理領域的重要研究方向之一。將拓撲材料轉變成超導態(tài)是一個探索拓撲超導的有效方法之一。三維拓撲半金屬作為一種新型拓撲量子材料，其能帶上具有狄拉克錐結構，并且具有豐富多樣的非平庸表面邊界拓撲態(tài)，是實現(xiàn)馬約拉納費米子的理想體系。要在拓撲半金屬中實現(xiàn)拓撲超導，首先需要將這些邊界態(tài)轉變成超導態(tài)。盡管理論上已經(jīng)有很多預言，實驗上目前并沒有實驗完全證實這些邊界態(tài)的超導形式。

為實現(xiàn)拓撲半金屬的超導，修發(fā)賢課題組在前期三維狄拉克半金屬Cd3As2納米片的費米弧表面態(tài)輸運研究的基礎上，與香港科技大學羅錦團（Kam Tuen Law）等課題組合作，在Cd3As2納米片上蒸鍍一層超導的Nb，形成Nb/Cd3As2和Nb/Cd3As2/Nb的異質結，通過近鄰效應將超導傳遞到Cd3As2中。研究表明，在Nb/Cd3As2的界面中，通過微分電導譜輸運測量發(fā)現(xiàn)寬電導平臺和零偏壓的寬峰，分別對應Cd3As2的表面費米弧和體態(tài)的超導，并且費米弧與超導的耦合遠強于體態(tài)。通過改變Cd3As2的厚度可以改變Cd3As2的表面費米弧與體態(tài)比重，可以觀察到對應的費米弧和體態(tài)超導能隙的變化。同時，羅錦團課題組對Nb/Cd3As2的理論模擬進一步證實了觀察到的費米弧和體態(tài)超導。

基于Nb/Cd3As2很好的超導近鄰效應，課題組研究了基于Cd3As2的約瑟夫森結（Nb/Cd3As2/Nb）的物理性質。通過超導量子干涉（Superconducting Quantum Interference）測量，觀察到超導電流幾乎完全由Cd3As2的上下表面流過，實驗中超導臨界電流與磁場關系是一個SQUID形狀。這與以前在類似的拓撲絕緣體的表面態(tài)超導電流特征非常不同。在拓撲絕緣體中，表面態(tài)是各向同性的，各個方向會相互干擾很難形成單個方向上很好的邊界電流，并且需要將費米能級調控至體態(tài)能隙中以避免體態(tài)的影響。然而，在三維狄拉克半金屬Cd3As2中，由于體態(tài)和表面費米弧對于超導耦合能力差距很大，可以避免體態(tài)的干擾，以至于表面態(tài)只在y方向的兩邊才存在，可以形成很完美的表面超導電流。這些特性都是Cd3As2費米弧超導的有力證據(jù)。