上海交通大學物理與天文學院鄭浩、賈金鋒領導的研究團隊利用低溫強磁場掃描隧道顯微鏡在Bi2Te3/NbSe2體系中成功產生並探測到由庫珀對動量導致的分段費米麵。論文被Science接收，並被選為Frist Release於北京時間2021年10月29日凌晨線上發表。(連結：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf1077)
固體物理的基本知識告訴我們材料費米麵附近的態密度決定了它們是否導電、是否透光等各種物性。傳統的物態調控都是調控費米麵附近態密度，如果能夠實現費米麵的人工調控，就會給材料物性的調控帶來革命性的變化。
超導體具有零電阻導電和完全抗磁性等奇特性質，是物理學中一個長盛不衰的研究課題；由於費米能級處超導能隙的存在，超導體均無費米麵。早在1965年，Fulde從理論上預言超導體中如果庫珀對的動量足夠大就可以在超導能隙中產生準粒子，從而導致出一種特殊的“分段費米麵” [Phys. Rev. 137, A783-A787 (1965)]。但由於普通超導體庫珀對動量足夠大時，產生準粒子的同時，庫珀對也會破裂而失去超導，因此要觀察到這個“分段費米麵”實驗上非常困難。這個預言雖然過去了50多年，一直沒有被實驗證實。
研究團隊使用分子束外延技術在超導體NbSe2表面精確的生長了4層厚的拓撲絕緣體Bi2Te3薄膜。在這個體系中，由於Bi2Te3表面態的費米速度很大，因此，當NbSe2超導體中庫珀對動量還很小時，Bi2Te3表面態中庫珀對動量已經很大（見圖1A）。這樣，就可以用一個很小的水平磁場在NbSe2表面上產生一個較小的超導電流，但這時Bi2Te3表面態中庫珀對動量已經足夠產生準粒子，並導致分段費米麵的出現，巧妙地解決了實驗上的困難。他們使用配備了稀釋製冷機和三維向量強磁場的掃描隧道顯微鏡來開展研究，如圖1所示，隨著磁場增大，庫珀對動量也在提高，超導能隙內準粒子越來越多（能隙底部越來越不探零，見圖1D和圖1E），預示著超導體中分段費米麵逐漸產生。
圖1. A. Bi2Te3/NbSe2超導異質結示意圖。B. 生長在NbSe2襯底上的高質量Bi2Te3薄膜形貌圖。C. Bi2Te3薄膜的原子分辨圖。D, E. 在不同大小和方向的面內磁場作用下，隧道譜中來源於準粒子的訊號逐漸增加。
更進一步，團隊成員利用準粒子干涉（QPI）技術，在實空間探測到了駐波（見圖2A-C，G-I），透過傅立葉變換證實了在零能上費米麵的產生。值得注意的是，該費米麵是由非超導Bi2Te3費米麵的一部分組成，而且其形狀和取向可以由外加磁場的強度和方向決定（見圖2D-F，J-L），完全符合理論預言的超導體分段費米麵的特徵。
圖2， A到C和G到I， 分別沿Γ-K和Γ-M方向施加40mT的磁場後，實空間產生的駐波圖案。D到F和J到L，對A到C和G到I進行相應的傅立葉變換，產生與磁場方向依賴的準粒子干涉訊號。
該工作創新性地利用拓撲絕緣體/超導體異質結的特殊性解決了實驗中的困難，首次在實驗上觀察到了50多年前理論預言的分段費米麵，並發現可以用磁場方向和大小來調節這個費米麵的形狀和大小，還能調控拓撲性，構建新的拓撲超導，該工作開闢了調控物態的新方法。
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上海交通大學為本文的第一單位。上海交通大學朱朕博士和美國麻省理工學院Papaj博士為本文的共同第一作者，上海交大鄭浩教授、賈金鋒教授和麻省理工學院傅亮教授為本文的共同通訊作者。本工作獲得了科技部、基金委，中科院先導專案，上海市科委和博士後專案的資助。
來源 | 物理與天文學院
編輯 | 魯新鈺
責任編輯 | 金雪
