作者:Phys Thamarasee Jeewandara
（同organic）有机 临近化Bi2Te3薄膜的形貌与表征
(A)超导间隙周围的准粒子色散，无磁场(蓝色曲线)，磁场高于B*(红色曲线)，诱导无间隙超导状态(对于抛物线色散b* ~δ/evλL，e为电子电荷，v为费米速度)
(二)沿x轴磁场B产生的分段费米表面示意图
红色实线表示电子占优势的状态，而红色虚线表示空穴占优势的状态
粉红色的线表示正常状态的费米表面
(三)在NbSe2上有少量五层Bi2Te3的样品结构
外部面内磁场Bext引起垂直屏蔽超电流和库珀对动量q
插图显示了大面积(320 × 320 nm2)薄膜的形貌，具有不同厚度的区域和Bi2Te3晶格的原子分辨率图像(10 × 10 nm2)
白色矩形表示图1中dI/dV映射的区域
3个已测量
(四)在(三)中的黄线上获得的宽能量范围微分电导dI/dV光谱
设定点为0
1伏，0
5 nA
CBM (VBM)代表Bi2Te3体能带的导带最小值(价带最大值)
(五)沿与(三)相同的切割线的邻近感应超导间隙
设定值为2
5毫伏，0
5 nA
根据相干峰的位置，我们确定超导间隙δ≈0
5兆电子伏
所有扫描隧道显微镜测量都是在40毫焦的温度下进行的
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1126/科学
abf1077 在现在发表在《科学》杂志上的一份新报告中，主要作者朱桢、迈克尔·帕帕杰和麻省理工学院中国交通大学的一个国际物理、材料科学和凝聚态研究小组
S
中国科学院首次在超导系统中发现了超电流诱导的准粒子的费米表面
这一发现是在物理学家彼得·富尔德做出最初的理论预测50年后发现的，他揭示了有限库珀对动量对准粒子谱的影响
在凝聚态物理中，库珀对是一对电子，由于电子-晶格相互作用，它们具有松散束缚的相反自旋
超导性是基于它们在低温下凝结成玻色子态
超导性和磁场的相互作用导致了“分段费米表面”的现象
这项工作的主要作者、麻省理工学院物理学教授傅亮概述了这一发现的意义
超导体中的超电流 物理学家假设，足够大的超电流可以关闭超导体中的能隙，并通过准粒子能量的多普勒频移产生无隙准粒子
这是由超导体中超电流存在时库珀对的有限动量促成的，其中库珀对动量的偏移会导致多普勒偏移
在这项工作中，朱等人
用准粒子干涉成像超导体铌二硒化物(NbSe2)包围的碲化铋(Bi2Te3)薄膜的场控费米表面
一个小的外加面内磁场感应出一个屏蔽超电流，导致Bi2Te3拓扑表面态上的有限动量配对
科学家们确定了不同的干涉模式，以表明具有分段费米表面的无间隙超导状态，从而揭示了有限库珀对动量对准粒子光谱的冲击
我们请领导这项研究的麻省理工学院物理系的傅亮描述他们工作的意义，以及他们是如何在理论预测50年后取得这一突破的
“它始于一次有目的的搜索，如果运气好的话，会带来一个惊喜，”他说
“有一段时间，我有了这样一个想法:通过向涂有一层拓扑绝缘体的超导体施加平行磁场，来制造零能量准粒子
这些准粒子可以用来构建马约拉纳费米子和拓扑量子位
" 计算准粒子费米表面随能量的演化
这 利用混合材料平台探测超电流诱导的准粒子 在研究过程中，研究小组展示了库珀对动量如何导致能量的多普勒频移
多普勒频移随后改变了准粒子的能量，准粒子平行或反平行于装置中的超电流运动，而不影响准粒子沿垂直方向运动，从而导致各向异性的准粒子能量耗散
在凝聚态物理中，博戈柳波夫准粒子或博戈柳波是一种准粒子，它出现在基态以上基本激发的超导体中
为了探测Bogoliubov准粒子的分段费米表面，他们使用了具有能量和动量分辨率的光谱方法
典型地，需要通常大于去配对电流的超电流来闭合超导间隙
为了克服这种方法的困难，朱等人
使用了另一种方法——混合材料平台
傅亮进一步描述了他们的平台:“我的合作者贾金凤，扫描隧道显微镜的世界专家，愿意尝试一下(检测准粒子)
事实证明，这个材料平台运行得很好，磁场小得惊人——比最初预期的要小得多
“研究小组没有让传输电流直接通过超导体，而是通过迈斯纳效应，施加一个小的外部磁场，在表面附近产生屏蔽电流。”
选择的平台包含Bi2Te3薄膜，这是一种典型的拓扑绝缘体，通过分子束外延生长在块状晶体NbSe2(一种S波超导体)上
这个装置为观察分段费米表面的形成提供了一个理想的平台
傅亮进一步描述了这种探测准粒子策略的细微差别
“我们后来意识到，我们看到的准粒子实际上是由超导体表面流动的屏蔽电流产生的
彼得·富尔德在50多年前首次预言了超电流诱导准粒子的可能性，但以前人们认为，要观察这种效应，需要电流大到足以破坏超导性
事后看来，我们的实验成功了，因为这种效应在拓扑绝缘体膜(碲化铋)中被放大了，而拓扑绝缘体膜被超导体(二硒铌)所接近
" 面内磁场下Bi2Te3/NbSe2表面的态密度
(A)微分电导dI/dV谱和(B)沿γK方向增加磁场的理论态密度曲线
(三)微分电导dI/dV谱和(四)沿γM方向增加磁场的理论态密度曲线
对于(A)和(C)，光谱都是在设定点2处获得的
5毫伏和0
5 nA，温度40 mK
理论计算的特征能量标度是E evA A xy =，其中E是电子电荷，v是费米速度，A xy是磁矢势(22)
箭头指示归因于分段费米表面的口袋的间隙内特征
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abf1077 面内磁场6种不同取向的实空间和动量空间准粒子干涉图
描绘真实空间QPI模式的地图
(D到F)对应的dI/dV图的傅立叶变换，每个图显示两个亮段
箭头表示沿γK方向的磁场
(G至I)与(A至C)相同，但磁场沿γM方向取向
(J到L)的(G到I)傅立叶变换，显示四个亮段
所有数据都是在120 × 120 nm2的相同面积内，偏压为0 mV，温度为40 mK，面内磁场为40 mT的条件下采集的
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abf1077 表征材料平台
朱等
然后展示了薄膜的形貌并获得了Bi2Te3晶格的原子分辨率以证明其高质量
在费米能级附近，他们在零磁场下观察到一个坚硬的U形超导能隙
研究小组随后在薄膜上施加平面磁场，通过测量微分电导来研究其无间隙超导状态
观察到的间隙特征是超电流诱导准粒子的结果
该团队计算了费米能级附近能量的光谱函数随场的演化
当被问及影响这一结果的先前研究工作的影响时，傅亮指出“很多影响了结果
我长期从事拓扑超导体的理论研究，并与贾金凤合作进行相关实验
理论和实验之间的这种紧密合作对我们的成功至关重要
当然，彼得·富尔德和格里戈里·沃洛维克的早期理论著作非常重要:它们帮助我们看到了大局
我们发现的零能量准粒子的存在绝不仅限于近似拓扑绝缘体
“研究小组随后通过扫描整个感兴趣区域的恒定能量局域态密度a，直接在动量空间内探测到分段费米表面，从而获得准粒子干涉图样
分段费米表面的准粒子干涉图样
(一)QPI在零磁场以外的超导间隙
这六个亮段对应于正常状态费米表面尖端之间的散射
(乙)乙= 40毫托时的QPI沿戊= 0毫伏时的γK
两个明亮的部分对应于(H)中所示的星尖之间的垂直散射
(C)B = 40毫伏时的QPI沿V = 0毫伏时的γM
四条明亮的线段对应于(1)中所示的星尖之间的对角散射
(D到F)对应于(A到C)中磁场的六边形扭曲无序狄拉克表面态中QPI的数值模拟(22)
(G至I)显示对应于如(A至C)中的磁场的费米表面轮廓的光谱函数
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abf1077 观点 通过这种方式，朱桢、迈克尔·帕帕杰和傅亮领导的同事揭示了屏蔽超电流引起的库珀对动量对准粒子能量耗散的强烈影响
Bogoliubov准粒子分段费米表面的观测为进一步扫描隧道显微镜研究对密度波和非零总动量库珀对的形成开辟了道路
当被问及这些研究成果的实际影响时，傅亮说，“现在下结论还为时过早，但我能想到一些可能性
我们发现的准粒子可以为制造拓扑量子位提供一种潜在的有利方法，这是我最初的动机
这些准粒子自由移动，并在超导体中传输热量，否则超导体是不良导体
因此，在我看来，从电流中产生准粒子的能力也可能使一个热晶体管能够以电的方式控制热流
"
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