在二維極限下的高溫超導(dǎo)體中對零能束縛態(tài)的研究
通過超高真空分子束外延技術(shù),在SrTiO3襯底上成功制備出宏觀尺度的單原胞層(厚度小于1納米)高溫超導(dǎo)體FeSe與FeTe0.5Se0.5單晶薄膜,其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度大約在60 K左右,并通過原位掃描隧道顯微鏡和隧道譜技術(shù)對其中的超導(dǎo)配對機制進(jìn)行了深入研究。?? 原位掃描隧道顯微鏡觀測表明沉積的Fe原子處于薄膜上層的Te/Se原子間隙處。由于沉積密度極低,F(xiàn)e原子以孤立吸附原子形式存在,且吸附位附近無近鄰Fe原子團(tuán)簇。系統(tǒng)的原位超高真空(~10-10 mbar)掃描隧道譜實驗發(fā)現(xiàn),對特定的吸附原子/單層FeSe(FeTe0.5Se0.5)耦合強度[數(shù)量占比約13% (15%)],F(xiàn)e吸附原子上可觀測到尖銳的零能電導(dǎo)峰(圖1)。該電導(dǎo)峰緊密分布在吸附原子附近,衰減長度~3 A,且遠(yuǎn)離吸附原子時不劈裂。變溫實驗表明,零能電導(dǎo)峰在遠(yuǎn)低于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度時即消失,可初步排除Kondo效應(yīng)、常規(guī)雜質(zhì)散射態(tài)等解釋(圖2A和圖2B)。進(jìn)一步的控制實驗和分析顯示,零能電導(dǎo)峰半高寬嚴(yán)格由溫度和儀器展寬限制、在近鄰雙Fe原子情形不劈裂、服從馬約拉納標(biāo)度方程,這些結(jié)果均與馬約拉納零能模的唯象學(xué)特征吻合(圖2C-圖2G)。對沉積于單層FeSe薄膜與FeTe0.5Se0.5薄膜上的Fe吸附原子,結(jié)果基本相同。相比于單層FeSe,統(tǒng)計結(jié)果表明單層FeTe0.5Se0.5上Fe吸附原子中觀測到零能束縛態(tài)的幾率更高且信號更強。波士頓學(xué)院汪自強教授和合作者曾在理論上提出,無外加磁場時,強自旋-軌道耦合s波超導(dǎo)體間隙磁雜質(zhì)可產(chǎn)生量子反常磁通渦旋。理論上如果單層FeSe和FeTe0.5Se0.5由于空間反演對稱破缺而具有較強的Rashba自旋-軌道耦合, Fe原子的磁矩局域破壞時間反演對稱,可以使量子反常渦旋“承載”馬約拉納零能模。對單層FeSe和FeTe0.5Se0.5有些理論也預(yù)測存在拓?fù)浞瞧接瓜唷T诙S拓?fù)涑瑢?dǎo)體中,馬約拉納零能模也會產(chǎn)生于Fe原子誘導(dǎo)的量子反常渦旋中的束縛態(tài)。因此,實驗中觀測到的零能電導(dǎo)峰可歸因于Fe吸附原子引起的局域量子反常渦旋。更深入、具體的理解還有待于進(jìn)一步的實驗和理論探索。這一工作將探索馬約拉納零能模的超導(dǎo)材料從三維拓展到二維、從低溫超導(dǎo)拓展到超過40 K超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的高溫超導(dǎo)體系,同時無需外加磁場,觀測到的零能束縛態(tài)原則上可操縱、“存活”溫度明顯提升。這些優(yōu)勢為未來實現(xiàn)可應(yīng)用的拓?fù)淞孔颖忍靥峁┝丝赡艿姆桨浮?
北京大學(xué)
2021-04-11