Science：普林斯顿团队首次发现拓扑半金属材料边缘的超导现象

来源：科研圈

图片来源：Stephan Kim, Princeton University

来源 普林斯顿大学

翻译 阿金

编辑 戚译引

普林斯顿大学实验室探测到了一个物理学家们长期寻找的现象。一支物理学家团队在一种超导材料上检测到了沿着其外部边缘存在的超导电流，这是一种流动过程中没有能量损耗的电子流。该发现于 5 月 1 日发表在《科学》杂志上。

该研究使用的超导体同时也是一种拓扑半金属，这种材料拥有不同寻常的电子学特性。该发现揭示了解锁“拓扑超导性”新领域的方法，对量子计算具有重大意义。

普林斯顿大学物理学教授、研究资深作者 Nai-Phuan Ong 说：“据我们所知，这是首次在任何超导体中观测到边缘态超导电流。”

“我们的研究动机，是了解当材料内部不是绝缘体而是超导体会发生什么，”Nai-Phuan Ong 说，“以及当超导发生在拓扑材料内部会出现怎样的新特征。”

常规的超导体早已广泛应用在磁共振成像（MRI）和远距离传输线路中，但新的超导性质可能释放超越我们熟悉的技术限制的能力。

普林斯顿大学和其他机构的研究人员一直在探索超导性和拓扑绝缘体之间的联系，这是一种拥有非典型电子行为的材料。2016 年，普林斯顿大学物理学教授 F.Duncan Haldane 因为这方面研究获得了诺贝尔物理学奖。

拓扑绝缘体是一类晶体，拥有绝缘的内部和导电的表面，就像包裹在锡纸中的布朗尼蛋糕。在导电材料中，电子可以从一个原子跳到另一个原子，从而使得电流流动。而绝缘材料中的电子被卡住，因此无法移动。但奇怪的是，拓扑绝缘体允许电子在其表面运动，而在内部则不行。

为了探索拓扑材料的超导性，研究人员使用了称为二碲化钼（molybdenum ditelluride）的晶体材料，这种材料具有拓扑特性，并且当温度下降到 100 毫开尔文以下，它就变成了超导体。

“目前为止，学界所做的大部分实验都尝试通过将一种材料靠近另一种材料，从而把超导性‘注入’拓扑材料中。”电子工程学研究生 Stephan Kim 说，他进行过很多这样的实验。他继续说：“我们这次测量的不同之处在于，我们没有注入超导性，但却成功让材料显示出边缘态（edge state）的特征。”

团队首先在实验室中生长晶体，然后将晶体冷却至产生超导性的温度。接下来，他们施加了一个弱磁场，同时测量通过晶体的电流。他们观察到，随着磁场的增强，一种称为临界电流的量会出现振荡，表现为锯齿状。

理论预测了受限于材料边缘的电子行为的涨落模式，而振荡的高度和频率全都符合预测。

学界很久前就知道，超导性的产生是因为通常情况下随机运动的电子两两结合，形成库珀对（Cooper pair），从某种意义上说就像踩着相同节拍起舞。Nai-Phuan Ong 解释说：“粗略地打个比方，就像十几亿对情侣集体同时严格遵循编排好的舞蹈动作跳舞。”

而电子遵循的“剧本”被称为超导体波函数，大致来讲就像一根沿着超导线延伸的丝带，Ong 继续介绍。波函数的轻微扭转迫使长线中的所有库珀对以相同的速度移动，就像“超流体”一样，换句话说，它们不再单独行动，而是表现得就像一个集体，这样的流动不会产生热量。

Ong 说，如果波函数没有扭转，那么库珀对就保持静止，没有电流流动。如果给超导体施加一个弱磁场，这就给扭转添加了一个额外的作用，研究人员称之为磁通量。对像电子这么小的粒子来说，磁通量遵循量子力学法则。

研究人员预计，超流体的速度和磁通量，这两个导致扭转的因素共同作用，能让扭转数精确保持为整数，比如 2、3 或者 4，而不是 3.2 或者 3.7。他们预测，随着磁通量平稳增加，超流体的流速会呈锯齿状增加，因为它在不断进行调整，以抵消额外的 0.2 或者增加 0.3，使扭转数保持为整数。

团队一边改变磁通量，一边测量超流体，发现确实存在可见的齿状模式。

在二碲化钼和其他外尔半金属（Weyl semimetal）内，体块中的电子库珀配对似乎诱导了边缘上类似的配对现象。

研究人员指出，目前他们还不太了解为什么边缘处的超电流独立于体块内的超电流。集体移动的电子也被称作凝聚体（condensate），Nai-Phuan Ong 将其比喻为水坑。

“从经典预期来看，人们期望两个直接接触的水坑会合并成一个。”他讲道，“但实验表明，边缘凝聚体始终与晶体体块保持差异。”

研究团队推测，防止两种凝聚体混合的机制是从二碲化钼边缘保护态继承而来的拓扑保护。团队希望将同样的实验技术应用到其他非常规超导体上，以寻找其中的边缘超电流。

“可能存在很多这样的材料。”Nai-Phuan Ong 说。

论文信息

【标题】Evidence for an edge supercurrent in the Weyl superconductor MoTe2

【作者】Wudi Wang, Stephan Kim, Minhao Liu, F. A. Cevallos, R. J. Cava, N. P. Ong

【期刊】Science

【时间】01 May 2020

【DOI】10.1126/science.aaw9270

【链接】

https://science.sciencemag.org/content/368/6490/534 

【摘要】Edge supercurrents in superconductors have long been an elusive target. Interest in them has reappeared in the context of topological superconductivity. We report evidence for the existence of a robust edge supercurrent in the Weyl superconductor molybdenum ditelluride (MoTe2). In a magnetic field B, fluxoid quantization generates a periodic modulation of the edge condensate observable as a “fast-mode” oscillation of the critical current Ic versus B. The fast-mode frequency is distinct from the conventional Fraunhofer oscillation displayed by the bulk supercurrent. We confirm that the fast-mode frequency increases with crystal area as expected for an edge supercurrent. In addition, weak excitation branches are resolved that display an unusual broken symmetry.