10月29日，上海交通大學物理與天文學院教授鄭浩、賈金鋒等利用低溫強磁場掃描隧道顯微鏡在Bi2Te3/NbSe2體系中成功產生并探測到由庫珀對動量導致的分段費米面。相關研究成果發(fā)表于《科學》。
材料費米面附近的態(tài)密度決定了它們是否導電、透光等各種物性。而傳統(tǒng)的物態(tài)調控都是調控費米面附近態(tài)密度，實現費米面的人工調控將會為材料物性的調控帶來革命性變化。
在這項研究中，研究團隊使用分子束外延技術在超導體NbSe2表面精確地生長了4層厚的拓撲絕緣體Bi2Te3薄膜。在該體系中，由于Bi2Te3表面態(tài)的費米速度很大，因此，當NbSe2超導體中庫珀對動量還很小時，Bi2Te3表面態(tài)中庫珀對動量已經很大。這樣，就可以用一個很小的水平磁場在NbSe2表面上產生一個較小的超導電流，但這時Bi2Te3表面態(tài)中庫珀對動量已經足夠產生準粒子，并導致分段費米面的出現，從而巧妙地解決了實驗上的困難。
研究團隊又使用配備了稀釋制冷機和三維矢量強磁場的掃描隧道顯微鏡開展研究。他們發(fā)現，隨著磁場增大，庫伯對動量也在提高，超導能隙內準粒子越來越多，這預示著超導體中分段費米面逐漸產生。
接下來，研究團隊利用準粒子干涉(QPI)技術，在實空間探測到了駐波，通過傅里葉變換證實了在零能上費米面的產生。值得注意的是，該費米面由非超導Bi2Te3費米面的一部分組成，而且其形狀和取向可以由外加磁場的強度和方向決定，完全符合理論預言的超導體分段費米面的特征。
研究人員認為，該研究創(chuàng)新性地利用拓撲絕緣體/超導體異質結的特殊性解決了實驗中的困難，首次在實驗上觀察到了50多年前理論預言的分段費米面，并發(fā)現可以用磁場方向和大小來調節(jié)該費米面的形狀和大小，還能調控拓撲性，構建新的拓撲超導，開辟了調控物態(tài)的新方法。
上海交通大學朱朕博士和美國麻省理工學院Papaj博士為本文的共同第一作者，鄭浩、賈金鋒和麻省理工學院教授傅亮為論文共同通訊作者。(田瑞穎 黃辛)
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