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物理所等提出一类基于铁基非常规配对的拓扑超导体

2020-11-24 物理研究所
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  近年来,铁基高温超导体作为自赋性拓扑超导体,引起了科研人员的兴趣。理论研究表明,铁基高温超导体是一个理想的实现Majorana零能模的体系;科研人员在多个铁基材料表面观测到Majorana零能模,揭开了在铁基超导体系中探寻Majorana零能模的序幕,这使铁基超导体可能成为拓扑计算的载体。

  但目前的研究与铁基超导态最根本的性质——非常规电子配对,没有直接联系。在有电子和空穴费米面的铁基超导体中,既有理论研究预言了非常规s±配对——空穴型费米面和电子型费米面超导序参量反号。虽然该预言得到了一些实验的间接支持,但是缺乏像在铜基高温超导对d-波配对那样的直接实验证据。

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心凝聚态理论与材料计算实验室T06组研究员胡江平与美国宾西法利亚州立大学、维尔茨堡大学和上海理工大学的科研人员合作,提出了一类基于铁基非常规配对的拓扑超导体。它们具有边界阻碍导致的高阶拓扑特征和由手性对称性保护的“角”或“棱”(hinge)Majorana零能模式;预言112家族铁砷超导体系,由于具有本征量子自旋霍尔态-高温超导体的异质结,是理想的实现体系。112家族的Tc最高达47 K,该体系的拓扑性质由胡江平研究组最先预言(X. Wu et al. Phys. Rev. B 91,081111(R) (2015) )。

  该研究首次在实际的材料体系中预言了高阶拓扑超导量子态,提供了一个可实现Majorana零能模的新体系;将铁基的非常规配对和拓扑性质直接联系起来,由于拓扑性质的鲁棒性(robustness),提供了铁基超导体s±配对的决定性实验判别手段(smoking gun)。

  相关研究成果发表在Physical Review X上。研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项的支持。

  论文链接 

  图1.(Ca,La)FeAs2的晶体结构和费米面以及高阶拓扑形成的直观图像:(a)晶体结构,(b)As1层的晶格模型,(c)(Ca,La)FeAs2费米面和超导序参量以及角上Majorana零能模形成的直观解释:蓝色和红色表示超导序参量的符号不同,灰色的圆表示两个棱交叉的角产生的Majorana零能模

  图2.拓扑性质的计算结果:(a)(010)边界态的边界绕数,(b)拓扑相变中边界绕数随体系尺寸的变化。(c)Majorana模式的能量(对数坐标)随体系尺寸的变化,(d)Majorana模式波函数实空间分布

打印 责任编辑:张芳丹

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