何庆林课题组在陈绝缘体-超导体的界面控制上取得重要进展

陈绝缘体与超导体的界面特性近年来受到许多研究者的关注。理论研究表明，超导近邻效应可能在陈绝缘体中诱导出拓扑超导态，进而产生服从非阿贝尔统计的马约拉纳零能模和手性马约拉纳边缘态，有望应用于拓扑量子计算的实现。然而，科学家们目前还不知道如何从实验上可靠地得到具有拓扑超导特性的界面，其中一个争论的焦点是如何在器件中避免出现电短路情形导致对测量结果、乃至马约拉纳费米子态的实现产生影响。

在过去几年中，北京大学物理学院量子材料科学中心何庆林研究员带领课题组团队克服了多种困难，通过改进样品制备过程中的界面控制方式，并在极低温、强磁场条件下对一系列样品进行表征，最终发现界面耦合强度是导致样品界面特性差异的一个重要因素，是实现拓扑超导体、马约拉纳费米子一维态可能存在的关键难点。他们的实验结果解释了此前不同课题组所报道的实验现象差异的物理原因，为实现理想的拓扑超导特性提供了更为可靠的界面设计和工艺。近日，该研究成果发表于Journal of Physics: Condensed Matter上（论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/ad550a）。

何庆林认为，实验上能否实现马约拉纳费米子一维态的关键在于材料的界面控制，通过界面控制，能实现超导近邻效应强度的调制，制备出拓扑超导体，实现马约拉纳费米子一维态。为此，在本项研究中，何庆林课题组制备了多个陈绝缘体Cr:(Bi, Sb)2Te3与超导体Nb的异质结样品，构建了QAH/SC/QAH器件。他们通过引入界面插层来实现界面调控，包括（1）不同厚度的氧化铝AlOx层，以及（2）陈绝缘体表面的自发氧化层。在这里，界面插层的厚度t是一个关键参数，它既决定了界面的SC侧对QAH侧的超导近邻效应强弱，也决定了QAH侧对SC侧电子态的影响，从而影响样品的SC区“短接”两个QAH区的能力。实验表明，这两种方法均能获得适当的界面耦合强度，即在引入超导近邻效应的同时避免电短路情形的出现。测量上，团队研究了器件的两端电导σ12在不同氧化铝厚度t下的磁电输运行为，并通过比较这些样品在高低磁场下的行为确定了材料的相界，得到了一个完整的相图，如图1所示。相图的两端分别是界面耦合过强的电短路态（区间I）和无有效界面耦合的量子反常霍尔态（区间III）。研究指出，对拓扑超导界面的探索需要在这两个极限之间的区间II进行，尤其需要避免耦合过强的区间I（即图中Ref.18所示）。在对处于区间II的样品的测量中，团队观察到了可能存在的拓扑超导、马约拉纳费米子一维态的信号特征。

图1：不同耦合强度下的相图。QAH/SC/QAH器件的两端电导σ12在低磁场（0.5T）和高磁场下随氧化铝厚度t的依赖关系。区域I、II和III根据σ12在低磁场和高磁场下的不同响应行为进行划分，其中，高磁场下σ12随外加磁场Bz增加而递减的情况位于区域II（阴影部分），这种递减来自器件中的超导近邻效应受磁场的抑制。Ref.18的数据点来自此前另一研究团队的报道。

北京大学物理学院量子材料科学中心2019级博士研究生黄昱为论文第一作者，博士研究生傅煜为第二作者，何庆林为论文通讯作者。其他合作者包括加州大学洛杉矶分校的Peng Zhang、Kang L. Wang等人。上述研究工作得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项等支持。