王健课题组与合作者在拓扑笼目磁体/金属异质结界面处发现超导态
2016年，北京大学王健教授课题组与合作者首次报道了在三维狄拉克拓扑半金属Cd3As2与非超导金属针尖界面处的超导现象 [Nat. Mat. 15, 38 (2016)] 。随后，研究团队陆续在其它拓扑半金属与非超导金属针尖的界面处观测到了超导信号, 如TaAs [Sci. Bull. 62, 425 (2017); Sci. Bull. 65, 21 (2020)] 和TaP [Phys. Rev. Mater. 3, 124201 (2019)] 等。由于拓扑（半）金属具有拓扑非平庸的能带结构，因此在其与金属界面处出现的超导态可能继承其拓扑非平庸性，从而表现出拓扑超导特征，在拓扑量子计算领域具有重要的潜在应用价值。
近年来，具有较强面外亚铁磁性的笼目磁体TbMn6Sn6引起了广泛的关注。在TbMn6Sn6的晶格结构中，Mn原子组成的笼目晶格结构与Tb原子具有相反的面外磁矩，表现出居里温度为423 K的亚铁磁性基态。相关理论表明，在笼目晶格结构中，强自旋轨道耦合和面外的铁磁序将产生陈数能隙狄拉克费米子，这一理论预测也得到了实验的证实[Nature 583, 533 (2020)]。作为一种典型的磁性笼目拓扑金属，TbMn6Sn6本身并无超导性。鉴于TbMn6Sn6具有拓扑非平庸的电子能带以及亚铁磁性，若能通过界面工程，在其表面诱导出超导，则该超导态很有可能为手性拓扑超导态。
近日，北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授课题组与谢心澄院士、贾爽教授、高鹏教授，以及首都师范大学教师王贺、苏州大学江华教授、波士顿学院汪自强教授等合作，在拓扑笼目磁体TbMn6Sn6/非超导金属异质结界面处发现了超导态。实验结果表明，界面超导态的出现与TbMn6Sn6材料的铁磁性紧密相关，且超导态具有准二维的特性。考虑到界面处同时具备准二维超导、超导铁磁耦合以及强自旋轨道耦合，TbMn6Sn6/金属异质结具备了产生二维手性拓扑超导态的全部条件，从而为研究自旋三重配对和拓扑超导态提供了一个新方向。该工作以“拓扑笼目磁体/金属异质结构中发现超导性”（Emergent superconductivity in topological-kagome-magnet/metal heterostructures）为题，于2023年11月2日发表于著名学术期刊《自然·通讯》（DOI: 10.1038/s41467-023-42779-1）。
王健课题组通过界面工程的方法，将非超导金属薄膜沉积在TbMn6Sn6样品的（001）表面，成功诱导出了界面超导态（见图1a）。在（001）面上镀膜后产生的超导态具有磁滞效应，说明该超导态能够与铁磁性共存（见图1b）。进一步的超导临界场角度依赖实验表明，该界面超导态具有准二维超导特征（图1c、1d）。此外，王健课题组还通过点接触实验技术，在不同类型的金属针尖和TbMn6Sn6之间形成的异质结构中探测到了超导信号 （如图1e），在点接触界面出现的超导态中，同样观测到了磁滞效应（见图1f）。
图1 TbMn6Sn6/非超导金属异质结构的超导电性。a通过标准四电极法检测的TbMn6Sn6（s7）单晶（001）表面蒸镀10 nm 厚Au膜的超导电性证据。磁场沿平面外方向（B||c轴）施加。其中B = 0 T, 0.12 T, 0.145 T, 0.175 T, 0.21 T, 0.25 T, 0.3 T, 0.45 T, 0.7 T, 和1 T。 b 在不同温度下（B||c轴）对覆盖有10 nm Au膜的s7的磁阻测量。插图：在0.02 T下归一化电阻的温度依赖性。0.4 K时电阻下降到R6K的近40%。c 2 K下TbMn6Sn6样品（s10）覆盖10 nm厚Au膜的磁场转角磁阻曲线。其中θ是磁场与TbMn6Sn6样品c轴之间的角度。Rn是3 T时B||c轴的磁阻。d覆盖10 nm厚金膜的s10样品的临界磁场随磁场与样品夹角的变化曲线（Bc(θ)），表明观测到的超导具有准二维的特征。e PtIr金属针尖与TbMn6Sn6单晶的(001)面形成的点接触界面的归一化点接触电阻（R/R5K），在零场（蓝色，B = 0 T）和非零场（绿色，B = 3 T）下随着温度的变化曲线。插图：点接触示意图，磁场以沿着垂直方向（B||c轴）。f 图e的点接触态的磁阻曲线具有磁滞现象。
在拓扑笼目磁体TbMn6Sn6/金属异质结中观测到超导电性对于研究拓扑超导具有重要的物理意义。在异质结构中实现拓扑超导的一种传统策略是将s波超导体、具有Rashba自旋轨道耦合的二维半导体和铁磁绝缘体堆叠在一起（图2a），但到目前为止这一方案尚未得到实验证实。在本工作中，非超导金属/TbMn6Sn6异质结构界面处的超导现象（图2b）包含了在二维系统中产生手性拓扑超导（图2c）所需的所有基本要素：超导铁磁耦合、强自旋轨道耦合、准二维超导。因此，本工作为探索二维手性拓扑超导态提供了一个新的实验方案。此外，值得一提的是作为一种典型的拓扑磁体，TbMn6Sn6的居里温度为423K。这是首次在居里温度超过室温的材料体系中报道超导性。
图2 TbMn6Sn6/非超导金属异质结构界面超导的理论图像。a s波超导体（SC）/具有Rashba自旋轨道耦合（SOC）的二维半导体（2DSM）/铁磁（FM）绝缘体堆叠层中通过近邻效应诱导的拓扑超导理论示意图。b TbMn6Sn6/金属异质结构中产生界面超导的示意图。c图b所示界面超导的色散关系示意图。其中E0 是塞曼能隙，虚线圆标记的 ‘pairing’是指当化学势μ处于E0中时，在外侧能带中形成的超导库珀对。
该工作中，王健和汪自强为共同通讯作者，首都师范大学物理系教师王贺和北京大学物理学院量子材料科学中心博雅博士后刘彦昭、宫明以及苏州大学江华教授为共同第一作者。该工作得到了北京市自然科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金、量子物质科学协同创新中心、中国博士后科学基金、北京市教委项目基金，美国能源部基础能源科学基金以及科学进步研究公司的 Cottrell SEED 奖的支持。