近日，李耀义特别研究员、贾金锋教授研究团队在拓扑超导电性研究中再次获得突破性进展。他们利用超导针尖观测到拓扑晶体绝缘体Sn1-xPbxTe超导能隙内有多重的束缚态，这一发现为超导拓扑晶体绝缘体存在拓扑超导电性提供了非常有力的直接证据。该工作以“Multiple In-Gap States Induced by Topological Surface States in the Superconducting Topological Crystalline Insulator Heterostructure Sn1−xPbxTe−Pb”为题发表在国际物理学权威期刊Physical Review Letters上。博士生杨浩为第一作者，李耀义特别研究员和贾金锋教授为共同通讯作者。研究工作获得了国家自然科学基金，科技部，国家国家海外高层次青年人才计划的支持。
拓扑晶体绝缘体的拓扑性与拓扑绝缘体的拓扑性不同，前者的拓扑表面态受晶体对称性保护。理论计算表明，具有拓扑超导电性的拓扑晶体绝缘体的超导能隙内含有多重的束缚态，能够实现多重Majorana零能模，这些特征是超导拓扑绝缘体所没有的。在团队的前期工作Advanced Materials 31, 1905582 (2019)中，利用分子束外延生长技术，他们制备出原子级平整的拓扑晶体绝缘体Sn1-xPbxTe与超导体Pb形成的异质结。在4.2K下发现Sn1−xPbxTe−Pb异质结具有很强的超导近邻效应，Sn1-xPbxTe的超导能隙具有反常的“peak-dip-hump”特征。然而理论所预言的那些独特的特征还没有被观测到。
博士生杨浩在李耀义的指导下，把超导针尖与极低温相结合，进一步提高了STM系统的能量分辨率，在0.38K下观测到了Sn1−xPbxTe超导能隙内非常明显的多重束缚态特征（如图所示）。变温实验、数值模拟以及0.38K下超导能隙内部的准粒子干涉实验排除了这些多重束缚态是由杂质态、多重超导能隙、以及不超导的体电子态的Adreev反射引起的可能性。这些系统的测量结果都非常支持超导的Sn1−xPbxTe中存在奇宇称A1u配对的拓扑超导电性。该工作为研究多重Majorana零能模提供了理想的平台。
图: 在0.38K下侧向Sn1-xPbxTe-Pb异质结上用超导针尖测的dI/dV谱。
(a) Sn1-xPbxTe-Pb异质结的STM形貌图。
(b) 在图(a)中红点处测的dI/dV谱。Dirac点位于费米能级以下约0.1eV。
(c)在图(a)中绿点处测的dI/dV谱。
(d)放大图中可以清晰看见多重束缚态P1-P3。
相关论文链接：
1. Hao Yang et. al. Physical Review Letters 125, 136802 (2020).
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.136802
2. Hao Yang et. al. Advanced Materials 31, 1905582 (2019).
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905582
