作者:闻海虎等 来源:《自然—通讯》 发布时间:2017/2/18 17:56:06
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观测到狄拉克电子变成超导库玻对直接证据

 

众所周知,超导态的载流子是由两个电子构成的库玻对。根据库玻对中两个电子自旋的取向不同,库玻对又被分成自旋单态(自旋反对称)和自旋三态(自旋对称)两种模式。目前发现的绝大多数超导体具有自旋单态电子配对形式。在传统的BCS超导理论中,两个动量相反、自旋相反的电子通过原子晶格的帮助而形成库玻对。这些库玻对发生类玻色凝聚,形成宏观尺度量子相干效应,从而实现零电阻和完全抗磁性。超导体因为具有这些特别的性质,可以开发出很多重要的应用,为世界各国所重视。

对于拓扑绝缘体,由于特殊的电子能带反转效应,因此在其表面会形成质量为零,能量和动量之间具有线性色散关系的电子,此类电子被称为狄拉克电子。这些特殊的粒子,在自旋轨道耦合的作用下,会形成自旋和运动方向的锁定效应,即具有一个自旋取向的电子只会朝一个方向运动,而自旋相反的电子会朝相反方向运动。因此,从原理上说,狄拉克电子不同于形成库玻对的电子,它们的基本约束条件有很大区别。此外,如果实现拓扑超导,有可能观察到一类新的粒子,即所谓马约拉纳子,在未来量子计算中具有重要作用。因此能否直接观测到狄拉克电子变成库玻对,并且研究狄拉克电子超导性质是凝聚态物理领域非常重要的研究方向。最近,闻海虎教授团队在一种可能的拓扑超导体SrxBi2Se3中,利用低温强磁场的扫描隧道谱测量,观测到狄拉克电子变成库玻对的直接证据。该工作于2017年2月15日在线发表在Nature Communications上面 【Guan Du et al., Nature Communications 8,14466 (2017)】。该工作发现了狄拉克电子变成超导库玻对的直接证据,打开了研究狄拉克电子形成超导的新模式,对下一步研究拓扑超导和马约拉纳新粒子具有重要促进作用。

该工作是在教育部2011计划的人工微结构协同创新中心中的研究组之间合作完成的。隧道谱的测量和分析是由博士生杜冠同学、杨欢教授和闻海虎教授为主完成,先进的低温强磁场扫描隧道谱设备是闻海虎教授研究组加盟南京大学后建立的。样品是由合肥强磁场中心实验室的张裕恒院士和张昌锦研究员小组,以及南京大学温锦生教授小组提供。文章第一作者是杜冠同学,通讯作者是张昌锦研究员,杨欢教授和闻海虎教授。闻海虎教授协调了整个工作。

该工作的主要结果以示意图的形式在图1中演示。图1(a)显示的是狄拉克电子的能量-动量色散的三维图,水平截面显示的是费米面。在未进入超导的时候,系统具有完整的费米面,狄拉克电子具有导电性而且动量和自旋锁定。图1(c)显示的是在超导态在样品表面测量到的隧道谱。他们发现,在不加磁场的时候,在能隙之外,隧道谱显示的是光滑的曲线(这里没有显示),能隙内态密度被大大压制,反映的是超导态准粒子的典型特征。然而,当加一个磁场的时候,如图1(c)所示,在能隙之外,他们观察到很强的振荡,而且振荡幅度随磁场增加而增加。这个奇异的现象是由于表面态狄拉克电子在磁场中形成的朗道能级,在费米能附近,态密度会出现量子振荡效应,因而被隧道谱实验测量出来。令人吃惊的是,这种振荡到了能隙以内就出现强烈压制,或用偃旗息鼓来描述。去除背景效应之后,在能隙内部的振荡可以认为确实被强烈抑制。这表明表面态的狄拉克电子被体超导诱导变成了库玻对。而此时的色散关系变成了狄拉克电子在超导态的情形,如图1(b)所示。

图1. (a)显示的是狄拉克电子色散关系,平面为费米面;(b)显示的是狄拉克电子变成库玻对以后在费米面附近形成的超导能隙;(c)是根据加磁场后扫描隧道谱在空间变化的实验数据所画出来的示意图。实验数据表明,在能隙外,态密度剧烈振荡,形成波澜起伏的状态,显示狄拉克电子在磁场中形成朗道能级效应。由于空间涨落效应,在不同位置,其振荡起伏的具体能量并不严格一致。然而,到了能隙以内,即图1(c)中显示的深凹槽区域,这种振荡就显著变弱,甚至消失,说明狄拉克电子变成了库玻对并且发生了超导凝聚。

该工作得到科技部国家重点研发专项-量子调控重点专项 “新型高温超导和非常规超导机理”项目(编号:2016YFA0300400),国家自然科学基金委重点项目(编号:A0402/A11340502),教育部“985计划”和“一流大学和一流学科建设计划”,以及人工微结构2011协同创新中心的支持,作者对此一并表示感谢。(来源:科学网)

 
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