物理所等在鐵基超導體中發現類馬約拉納費米子

文章來源：物理研究所    發布時間：2015-08-12  

在微觀世界里，遵從費米統計的電子通過配對形成玻色子，它們的凝聚形成超導電子基態，使宏觀世界中的材料具有超導性。在譜學實驗中，電子配對反映為可測量的超導能隙。超導體中的雜質原子可能破壞電子間的配對，并在能隙中形成束縛態。通過觀察束縛態的各種特征，包括與其對應的能量及其空間的分布等，人們可以深入研究超導基態的本征屬性。最令人關注的是零能束縛態，因為這意味著非尋常的超導配對對稱性或特殊的拓撲特性。

最近，中國科學院物理研究所／北京凝聚態物理國家實驗室(籌)的博士生殷嘉鑫等在EX8組潘庶亨和EX7組研究員丁洪的指導下，利用極低溫高分辨率的掃描隧道顯微鏡，在休斯頓大學超導中心研究員吳諍生長的一系列鐵基超導體Fe1+x(Te,Se)中發現處于間隙位置的單原子鐵雜質上會產生一個非常尖銳的零能電導峰。通過搬運原子的方法，他們證實了該束縛態確實由鐵雜質誘發。這零能束縛態僅僅存在于單個鐵雜質原子1納米范圍內，并且是各項同性的。最奇特的是，它的能量非常魯棒地嚴格處于零能，即使加上8特斯拉的磁場（普通磁鐵磁場的100倍），或使兩個獨立的零能束縛態互相靠近，也無法使它偏離零能或者產生劈裂。為了驗證這個零能束縛態的穩定性，他們還在物理所超導實驗室單磊組的儀器上重復了該實驗結果，并系統研究了不同磁場的影響以及磁通渦旋和零能束縛態間的相互作用。

通過與物理所胡江平小組、波士頓學院教授汪自強等理論合作者的仔細研討，他們認為這樣的零能束縛態與常規超導體中的雜質態有很大區別。在一般的超導體中，磁性或非磁性雜質一般會產生出一正一負能量上對稱的一對束縛態，而且在磁場的作用下即使是恰好在零能的普通束縛態也會發生劈裂。(清華大學薛其坤小組研究FeSe薄膜材料時發現其中過量鐵雜質就誘導了一對束縛態，而非一個零能束縛態。)因此，可能因為Te的摻入對該體系產生了很大的影響。Te比Se具有更大的自旋軌道耦合，這樣很可能改變材料的拓撲性質。實驗中觀測到的如此魯棒的零能束縛態又與理論預言的拓撲超導體中的馬約拉納費米子性質相吻合，推測它有可能是近些年來科學家們孜孜以求的馬約拉納費米子。

　　該項研究結果于7月1日發表在Nature Physics上（Nature Physics 11, 543 (2015)）。該研究工作得到了中國科學院、科技部“973”項目、國家自然科學基金項目以及美國相關科學基金等項目的支持。

 圖1. Fe1+x(Te,Se)樣品中觀測到的間隙鐵雜質。