近日，我校物质学院陈宇林-柳仲楷课题组与合作者在新型拓扑超导材料研究中取得重要进展：在准一维超导材料TaSe3中成功观测到拓扑表面态，证明该材料具有非平庸拓扑性质，从而为拓扑超导研究提供了全新实验平台。该成果于10月8日以Observation of topological electronic structure in quasi-1D superconductor TaSe3为题，在国际顶尖期刊Cell旗下Matter上在线发表。
近年来，拓扑量子材料一直是凝聚态物理研究的热点。根据电子结构的不同拓扑性质，我们可以划分出一系列拓扑非平庸的材料，以量子反常霍尔效应绝缘体为例，它在材料内部保持绝缘的同时，会在边界上产生稳定手性无耗散电子“高速公路”，因而在自旋电子学，未来低功耗电子器件等领域有着广泛应用前景。而另一类重要的拓扑材料，拓扑超导体，其电子能够形成为独特的马约拉纳费米子/零能模。这种特殊的准粒子在特定情况下能够满足非阿贝尔统计（简而言之，即多个连续操作的结果取决于操作的顺序），因此可以用来构建量子比特以作为量子计算机的运算单元。
虽然拓扑超导体在基础研究和量子计算应用上具有非常重要的意义，然而自然界中的拓扑超导材料却极为稀少（目前仅有的几个例子包括掺杂的拓扑绝缘体CuxBi2Se3, 和铁基拓扑超导材料FeTe0.55Se0.45等）。因此寻找更多性能优异的拓扑超导材料已经成为凝聚态物理和材料科学的研究热点之一。
图1 | TaSe3表面拓扑超导性质的艺术呈现。
制图：物质学院肖涵薄
我校陈宇林-柳仲楷课题组长期对拓扑量子材料进行广泛深入的研究，在前期一系列重要科研成果基础上，包括拓扑狄拉克，外尔半金属的电子结构测量及操控(Nature Materials, 2015; Science,2019; Nature Communications,2019)及新型拓扑绝缘体的探索（Nature Communications, 2016），开展了对拓扑超导材料的攻关。课题组利用同步辐射光源线站、上科大深紫外激光的角分辨光电子能谱装置、扫描隧道显微镜、电输运测量以及第一性原理计算等方法对一类新型准一维超导材料TaSe3的电子结构开展了全面细致研究，系统地测量了TaSe3原子相，超导带隙及完整的电子能带结构。其中上科大深紫外激光角分辨光电子能谱仪所具有的高空间，动量和能量分辨率对观测到该材料的拓扑表面态（图2）起到了关键性作用，从而证明了该材料的拓扑属性。而在同一材料中的超导与拓扑表面态通过“自近邻效应”耦合，能够自然形成表面的二维拓扑超导态，由此表明TaSe3是可能的全新拓扑超导材料（图1）。相较于已经发现的拓扑超导材料，TaSe3无掺杂元素，结构简单稳定，而且能够通过机械剥离法制备薄层，因此为研究拓扑超导现象乃至实现量子比特器件提供了一个很好的新实验平台。
图2 | TaSe3拓扑表面态的动量空间示意（红色曲面）及沿高对称方向的实验数据（红色虚线标记）。
上海科技大学为该项工作的第一完成单位，该工作与南京大学、清华大学、中科院物理所、英国钻石光源、美国ALS及SSRL光源、意大利Elettra光源和牛津大学共同合作完成。陈宇林-柳仲楷课题组博士后陈成、助理研究员梁爱基和2016级硕博连读研究生刘帅为共同第一作者。陈宇林-柳仲楷课题组副研究员王美晓、助理教授柳仲楷以及亚洲太阳sungame陈宇林为该工作的共同通讯作者。上科大物质学院助理教授郭艳峰、齐彦鹏及信息学院助理教授寇煦丰对本工作的单晶样品生长和输运测量提供了大量协助。本工作得到了上海科技大学启动基金、国家自然科学基金、科技部重点研发计划和上科大物质学院拓扑物理实验室的大力支持。
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.09.005