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在拓?fù)渫鉅?em>半金屬晶體中觀測(cè)到非平庸的超導(dǎo)特性

通過電輸運(yùn)、掃描隧道譜、比熱、抗磁性等系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究并結(jié)合第一性原理計(jì)算，在摻硫的第二類拓?fù)渫鉅柊虢饘俣诨f單晶中發(fā)現(xiàn)了非平庸超導(dǎo)態(tài)的特征。實(shí)驗(yàn)中所使用的硫摻雜的高質(zhì)量二碲化鉬晶體是通過化學(xué)氣相輸運(yùn)的方法合成的，摻雜比例約為0.2。首先通過準(zhǔn)粒子干涉實(shí)驗(yàn)與第一性原理計(jì)算相結(jié)合，在樣品表面探測(cè)到了費(fèi)米弧拓?fù)浔砻鎽B(tài)的存在。最后通過掃描隧道譜學(xué)和比熱的測(cè)量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)樣品表面態(tài)的超導(dǎo)能隙遠(yuǎn)大于體態(tài)的超導(dǎo)能隙，而且該樣品表面態(tài)的能隙與臨界溫度的比值（Δ/kBTc）約為8.6，遠(yuǎn)大于常規(guī)超導(dǎo)材料的能隙與臨界溫度的比值（約為1.76），表明了表面態(tài)具有非常規(guī)超導(dǎo)庫珀對(duì)配對(duì)機(jī)制，極可能是拓?fù)涑瑢?dǎo)的普適特征。然后通過電輸運(yùn)測(cè)量和比熱測(cè)量，發(fā)現(xiàn)這種材料為s波超導(dǎo)體，且它的超導(dǎo)能隙的帶間耦合很強(qiáng)，超導(dǎo)對(duì)稱性應(yīng)為s+- 對(duì)稱性。這可能是繼鐵基高溫超導(dǎo)之后，又一種新的s+-超導(dǎo)體。而且根據(jù)理論預(yù)言，拓?fù)渫鉅柊虢饘僦衧+-對(duì)稱性的超導(dǎo)態(tài)會(huì)形成拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)。摻硫的第二類拓?fù)渫鉅柊虢饘俣诨f單晶中拓?fù)涑瑢?dǎo)特征的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了外爾半金屬中實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)的可行性，推動(dòng)了拓?fù)涑瑢?dǎo)相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，也為拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的最終實(shí)現(xiàn)奠定了前期的科研基礎(chǔ)。圖一. 電磁輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的s+- 超導(dǎo)的證據(jù)，揭示拓?fù)涑瑢?dǎo)的可能性。 (A) 電磁輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量示意圖。 (B) 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近的電阻率-溫度關(guān)系。(C) 各個(gè)溫度和磁場(chǎng)下的電阻率。(D) 超導(dǎo)上臨界磁場(chǎng)和溫度的關(guān)系。紅色的線是兩帶超導(dǎo)模型的擬合曲線，擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)帶間耦合比較大，表明該超導(dǎo)行為是s+- 超導(dǎo)。圖二. 掃描隧道顯微鏡觀發(fā)現(xiàn)表面態(tài)的超導(dǎo)能隙遠(yuǎn)超過體態(tài)的超導(dǎo)能隙，揭示出拓?fù)涑瑢?dǎo)的可能性。(A) 4 K和0.4 K下樣品表面的微分電導(dǎo)dI/dV譜。在0.4 K下，超導(dǎo)能隙是1.7 meV，遠(yuǎn)大于體態(tài)的超導(dǎo)能隙，且能隙與臨界溫度的比值約為約為8.6，遠(yuǎn)大于常規(guī)超導(dǎo)材料的能隙與臨界溫度的比值（1.76）。4 K時(shí)樣品處于非超導(dǎo)態(tài)。(B) 0.4 K超導(dǎo)dI/dV譜和各向同性BCS超導(dǎo)譜的對(duì)比。(C) 0.4 K時(shí)，不同磁場(chǎng)下的超導(dǎo)dI/dV譜，超導(dǎo)能隙被外加磁場(chǎng)所抑制。

北京大學(xué) 2021-04-11

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