物理所等在鐵基超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)類馬約拉納費(fèi)米子

文章來源：物理研究所    發(fā)布時(shí)間：2015-08-12  

在微觀世界里，遵從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)的電子通過配對(duì)形成玻色子，它們的凝聚形成超導(dǎo)電子基態(tài)，使宏觀世界中的材料具有超導(dǎo)性。在譜學(xué)實(shí)驗(yàn)中，電子配對(duì)反映為可測(cè)量的超導(dǎo)能隙。超導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子可能破壞電子間的配對(duì)，并在能隙中形成束縛態(tài)。通過觀察束縛態(tài)的各種特征，包括與其對(duì)應(yīng)的能量及其空間的分布等，人們可以深入研究超導(dǎo)基態(tài)的本征屬性。最令人關(guān)注的是零能束縛態(tài)，因?yàn)檫@意味著非尋常的超導(dǎo)配對(duì)對(duì)稱性或特殊的拓?fù)涮匦浴?/span>

最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(dǎo)下，利用極低溫高分辨率的掃描隧道顯微鏡，在休斯頓大學(xué)超導(dǎo)中心研究員吳諍生長(zhǎng)的一系列鐵基超導(dǎo)體Fe1+x(Te,Se)中發(fā)現(xiàn)處于間隙位置的單原子鐵雜質(zhì)上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常尖銳的零能電導(dǎo)峰。通過搬運(yùn)原子的方法，他們證實(shí)了該束縛態(tài)確實(shí)由鐵雜質(zhì)誘發(fā)。這零能束縛態(tài)僅僅存在于單個(gè)鐵雜質(zhì)原子1納米范圍內(nèi)，并且是各項(xiàng)同性的。最奇特的是，它的能量非常魯棒地嚴(yán)格處于零能，即使加上8特斯拉的磁場(chǎng)（普通磁鐵磁場(chǎng)的100倍），或使兩個(gè)獨(dú)立的零能束縛態(tài)互相靠近，也無法使它偏離零能或者產(chǎn)生劈裂。為了驗(yàn)證這個(gè)零能束縛態(tài)的穩(wěn)定性，他們還在物理所超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室單磊組的儀器上重復(fù)了該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并系統(tǒng)研究了不同磁場(chǎng)的影響以及磁通渦旋和零能束縛態(tài)間的相互作用。

通過與物理所胡江平小組、波士頓學(xué)院教授汪自強(qiáng)等理論合作者的仔細(xì)研討，他們認(rèn)為這樣的零能束縛態(tài)與常規(guī)超導(dǎo)體中的雜質(zhì)態(tài)有很大區(qū)別。在一般的超導(dǎo)體中，磁性或非磁性雜質(zhì)一般會(huì)產(chǎn)生出一正一負(fù)能量上對(duì)稱的一對(duì)束縛態(tài)，而且在磁場(chǎng)的作用下即使是恰好在零能的普通束縛態(tài)也會(huì)發(fā)生劈裂。(清華大學(xué)薛其坤小組研究FeSe薄膜材料時(shí)發(fā)現(xiàn)其中過量鐵雜質(zhì)就誘導(dǎo)了一對(duì)束縛態(tài)，而非一個(gè)零能束縛態(tài)。)因此，可能因?yàn)門e的摻入對(duì)該體系產(chǎn)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?fù)湫再|(zhì)。實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的如此魯棒的零能束縛態(tài)又與理論預(yù)言的拓?fù)涑瑢?dǎo)體中的馬約拉納費(fèi)米子性質(zhì)相吻合，推測(cè)它有可能是近些年來科學(xué)家們孜孜以求的馬約拉納費(fèi)米子。

　　該項(xiàng)研究結(jié)果于7月1日發(fā)表在Nature Physics上（Nature Physics 11, 543 (2015)）。該研究工作得到了中國(guó)科學(xué)院、科技部“973”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及美國(guó)相關(guān)科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

 圖1. Fe1+x(Te,Se)樣品中觀測(cè)到的間隙鐵雜質(zhì)。