知识源于沉淀 最近，上海科技大学物理学院陈玉林-刘研究组及其合作者在新型拓扑超导材料的研究方面取得了重要进展。成功观测到准一维超导材料TaSe3的拓扑表面态，证明了这种材料具有非平庸的拓扑性质，从而为拓扑超导研究提供了新的实验平台。该成果于10月8日在国际权威期刊《细胞》(Cell)上以《准1D超导体TASE 3中拓扑电子结构的观察》为题在线发表。
近年来，拓扑量子材料一直是凝聚态物理研究的热点。根据电子结构的不同拓扑性质，我们可以划分出一系列具有非平庸拓扑的材料。以量子反常霍尔效应绝缘体为例，它在保持材料内部绝缘的同时，会在边界产生稳定的手征非耗散电子“超级高速公路”，因此在自旋电子学、未来低功率电子器件等领域具有广泛的应用前景。另一类重要的拓扑材料，拓扑超导体，可以形成独特的马约拉纳费米子/零能量模式。这种特殊的准粒子在一定情况下可以满足非阿贝尔统计量(简而言之，多次连续运算的结果取决于运算的顺序)，因此可以用来构造量子比特，作为量子计算机的运算单元。
虽然拓扑超导体在基础研究和量子计算应用中具有重要意义，但自然界中的拓扑超导材料却极为罕见(目前仅有少数例子包括掺杂拓扑绝缘体CuxBi2Se3和铁基拓扑超导材料FeTe0.55Se0.45等。).因此，寻找更多性能优异的拓扑超导材料成为凝聚态物理和材料科学的研究热点之一。
上海科技大学陈玉林-刘研究组长期以来对拓扑量子材料进行了广泛而深入的研究。在前期一系列重要科研成果的基础上，包括拓扑狄拉克和外层半金属电子结构的测量和操纵(Nature Materials，2015；理科，2019；Nature Communications，2019)和新型拓扑绝缘体的探索(Nature Communications，2016)，开展了拓扑超导材料研究。利用同步辐射光源站、上海科技大学深紫外激光角分辨光电子能谱装置、扫描隧道显微镜、电输运测量和第一性原理计算，对一种新型准一维超导材料TaSe3的电子结构进行了全面细致的研究，系统测量了TaSe3的原子相、超导带隙和完整电子带结构。其中，上海科技大学的深紫外激光角分辨光电子能谱仪的高空分辨率、动量和能量分辨率在观察物质的拓扑表面状态中起着关键作用(图2)，从而证明了物质的拓扑性质。而同一材料中的超导性通过“自邻效应”与拓扑表面态耦合，可以在表面自然形成二维拓扑超导态，从而表明TaSe3是一种可能的新型拓扑超导材料(图1)。与已发现的拓扑超导材料相比，TaSe3不含掺杂元素，结构简单稳定，可以通过机械剥离制备薄层，为研究拓扑超导现象甚至实现量子比特器件提供了很好的新实验平台。
上海科技大学是第一个完成这项工作的单位，由南京大学、清华大学、中科院物理所、英国钻石光源、美国ALS和SSRL光源、意大利Elettra光源、牛津大学合作完成。陈玉林-刘课题组博士后陈诚、助理研究员梁爱吉、2016级硕士研究生刘帅为共同第一作者。王副研究员、刘副教授、陈玉林特聘教授是本论文的合著者。上海科技大学材料与信息学院的助理教授、齐和寇旭峰为单晶样品的生长和输运测量提供了大量的帮助。本工作得到了上海科技大学启动基金、国家自然科学基金、科技部R&D重点项目、上海科技大学物理学院拓扑物理实验室的大力支持。
文章:https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.09.005
图1. TaSe3表面拓扑超导性质的艺术呈现。（制图：物质学院肖涵薄） 图一。TASE 3表面拓扑超导性质的艺术表现。(制图:物理学院韩笑·辛)
