近日，复旦大学物理学系教授修发贤课题组在拓扑半金属Cd3As2与超导的异质结中观察到了Cd3As2的表面超导态。5月17日，相关研究成果以《由近邻效应产生的狄拉克半金属Cd3As2表面超导》(“Proximity-induced surface superconductivity in Dirac semimetal Cd3As2”)为题在线发表于《自然 通讯》(Nature Communications, DOI:10.1038/s41467-019-10233-w)。
马约拉纳费米子是一种新奇准粒子，满足非阿贝尔统计，是实现可容错的拓扑量子计算的物质基础。近年来，拓扑超导材料因其边界态中存在马约拉纳费米子已成为凝聚态物理领域的重要研究方向之一。将拓扑材料转变成超导态是一个探索拓扑超导的有效方法之一。三维拓扑半金属作为一种新型拓扑量子材料，其能带上具有狄拉克锥结构，并且具有丰富多样的非平庸表面边界拓扑态，是实现马约拉纳费米子的理想体系。要在拓扑半金属中实现拓扑超导，首先需要将这些边界态转变成超导态。尽管理论上已经有很多预言，实验上目前并没有实验完全证实这些边界态的超导形式。
为实现拓扑半金属的超导，修发贤课题组在前期三维狄拉克半金属Cd3As2纳米片的费米弧表面态输运研究的基础上，与香港科技大学罗锦团（Kam Tuen Law）等课题组合作，在Cd3As2纳米片上蒸镀一层超导的Nb，形成Nb/Cd3As2和Nb/Cd3As2/Nb的异质结，通过近邻效应将超导传递到Cd3As2中。研究表明，在Nb/Cd3As2的界面中，通过微分电导谱输运测量发现宽电导平台和零偏压的宽峰，分别对应Cd3As2的表面费米弧和体态的超导，并且费米弧与超导的耦合远强于体态。通过改变Cd3As2的厚度可以改变Cd3As2的表面费米弧与体态比重，可以观察到对应的费米弧和体态超导能隙的变化。同时，罗锦团课题组对Nb/Cd3As2的理论模拟进一步证实了观察到的费米弧和体态超导。
基于Nb/Cd3As2很好的超导近邻效应，课题组研究了基于Cd3As2的约瑟夫森结（Nb/Cd3As2/Nb）的物理性质。通过超导量子干涉（Superconducting Quantum Interference）测量，观察到超导电流几乎完全由Cd3As2的上下表面流过，实验中超导临界电流与磁场关系是一个SQUID形状。这与以前在类似的拓扑绝缘体的表面态超导电流特征非常不同。在拓扑绝缘体中，表面态是各向同性的，各个方向会相互干扰很难形成单个方向上很好的边界电流，并且需要将费米能级调控至体态能隙中以避免体态的影响。然而，在三维狄拉克半金属Cd3As2中，由于体态和表面费米弧对于超导耦合能力差距很大，可以避免体态的干扰，以至于表面态只在y方向的两边才存在，可以形成很完美的表面超导电流。这些特性都是Cd3As2费米弧超导的有力证据。
图，Cd3As2费米弧超导的示意图
该项研究成果首次在三维拓扑半金属中实现了费米弧的超导（如图所示），这相当于二维量子自旋霍尔绝缘体的一维超导边界态的高维度类推，对于深入理解边界态超导具有重要意义；同时，基于理论预言，Cd3As2的超导费米弧可在a.c.约瑟夫森效应中实现马约拉纳费米子的一种新的表现形态：马约拉纳平带。这为探索拓扑超导提供了新的思路和实验手段，也为拓扑量子计算机的最终实现提供了前期的科研基础。
该工作由复旦大学物理学系修发贤、王熠华课题组，香港科技大学罗锦团课题组，沈阳金属所韩拯课题组，北京大学林熙课题组，澳大利亚昆士兰大学邹进课题组，北京工业大学韩晓东、陈艳辉课题组合作完成。工作获得了复旦大学物理学系、应用表面物理国家重点实验室、国家重点研发计划、基金委优秀青年基金和面上项目的大力支持与资助。论文的第一单位为复旦大学物理学系，复旦大学物理学系教授修发贤为通讯作者，修发贤课题组博士生黄策和香港科技大学罗锦团课题组博士生周桐为共同第一作者。
修发贤课题组主要从事拓扑材料的生长、量子调控以及新型低维原子晶体材料的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生长、物性测量以及量子器件的制备与表征。在新型低维原子晶体材料的器件方面主要研究其电学、磁学和光电特性。
