中国科学家首次在外尔半金属TaAs表面用硬点接触的方法诱导出非常规超导。相关成果作为封面文章发表在Science Bulletin 2017年第6期。北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授、危健研究员、刘雄军研究员、贾爽研究员与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。
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、贾爽等人合作,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费米子提供了新的思路。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被观测到。
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。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子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。