磁性与超导体表面的拓扑结构相遇

诸平

据美国能源部/布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）2021年3月17日提供的消息，该实验室研究属于铁基高温超导体族化合物的科学家发现，能带隙（一个不允许电子的能量范围）在材料表面上两个允许能带相交点处打开。这种不寻常的电子能量结构可用于量子信息科学和电子学。

固体中的电子占据被间隙隔开的不同能带。能带隙是电子的“无人之地”，是不允许电子存在的能量范围。现在，研究含铁、碲和硒的化合物的科学家发现，能带隙在材料表面上两个允许能带相交的点处打开。他们在冷却材料并用激光探测其电子结构时，观察到了这种意外的电子行为。他们的相关研究结果已经于2021年1月19日在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）网站上发表——Nader Zaki, Genda Gu, Alexei Tsvelik, Congjun Wu, Peter D. Johnson. Time-reversal symmetry breaking in the Fe-chalcogenide superconductors. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (3): e2007241118 DOI: 10.1073/pnas.2007241118. 此研究结果可能会对未来的量子信息科学和电子学产生影响。

该特定化合物属于铁基高温超导体家族，该家族最早发现于2008年。这些材料不仅在比其他类别的超导体更高的温度下（但仍然非常冷），在没有电阻的情况下导电，但也显示出磁性。上述论文的第一作者，也是美国能源部（U.S. Department of Energy）凝聚态物理学和材料科学（CMPMS）电子光谱学小组（Electron Spectroscopy Group of the Condensed Matter Physics and Materials Science简称CMPMS）布鲁克海文国家实验室的纳德·扎基（Nader Zaki）说：“有一阵子，人们认为超导和磁场会相互影响。我们已经探索了一种材料，它可以同时具有超导和磁特性。”

除了超导性和磁性外，某些铁基超导体还具有承载“拓扑”表面状态的正确条件。这些独特的电子态存在于表面（它们不存在于大部分材料中），反映了电子的自旋与其围绕原子核的轨道运动之间的强相互作用。

电子光谱小组负责人、上述论文的通讯作者彼得·约翰逊（Peter Johnson）说：“当您拥有具有拓扑表面特性的超导体时，您会对拓扑超导的可能性感到兴奋。” “拓扑超导性（Topological superconductivity）有可能支持马约拉纳费米子（Majorana fermions），它可以作为量子比特，是量子计算机的信息存储模块。”

量子计算机有望大大加快计算速度，而这种速度在传统计算机上是不可能实现的。实现实用量子计算的挑战之一是量子位对其环境高度敏感。微小的相互作用会导致它们失去其量子态，从而丢失存储的信息。理论预测，存在于超导拓扑表面态中的马约拉那费米子（所寻求的准粒子）不受环境干扰，使其成为鲁棒量子位（robust qubits）的理想平台。

纳德·扎基、彼得·约翰逊及其同事将铁基超导体视为各种奇特现象和潜在重要现象的平台，着手了解拓扑、超导性和磁性的作用。

CMPMS部门的资深物理学家顾根达（Genda Gu音译）首先生长了铁基化合物的高质量单晶。然后，纳德·扎基通过基于激光的光发射光谱法绘制了材料的电子能带结构图。当来自激光的光聚焦到材料上的一个小点上时，来自表面的电子被“踢出”（即光发射）。然后可以测量这些电子的能量和动量。当他们降低温度时，发生了令人惊讶的事情。

纳德·扎基说：“此材料正如我们所料显示出超导性，我们看到了与此有关的超导间隙。” “但是我们没想到的是，拓扑表面状态在狄拉克点（Dirac point）处打开了第二个间隙。您可以将这种表面状态的能带结构想象成沙漏或两个圆锥形附着在其顶点处。这些圆锥形相交的位置就称为狄拉克点。”

正如彼得·约翰逊和纳德·扎基所解释的那样，当在狄拉克点上出现缝隙时，有证据表明时间反转对称性已被打破。时间反向对称性意味着，无论您查看的是系统向前还是向后的时间，物理定律都是相同的-类似于倒带视频并看到相同的事件序列以相反的顺序播放。但是在时间逆转下，电子自旋改变了它们的方向并打破了这种对称性。因此，打破时间反转对称性的一种方法是发展磁性，特别是铁磁性，这是一种磁性类型，其中所有电子自旋均平行排列。

彼得·约翰逊说：“系统正在进入超导状态，看似磁性正在发展。” “我们必须假设磁性存在于表面区域，因为以这种形式不能共存。这种发现令人兴奋，因为该材料具有许多不同的物理性质：超导性、拓扑结构和现在的磁性。我喜欢说这是一站式购物。了解这些现象如何在材料中产生，可以为许多新的令人兴奋的技术方向奠定基础。”

如前所述，该材料的超导性和强大的自旋轨道效应可用于量子信息技术。或者，材料的磁性和强自旋轨道相互作用可以实现电子中电流的无耗散传输（无能量损失）。可以利用此功能来开发功耗低的电子设备。

共同作者CMPMS凝聚态理论小组的高级科学家兼小组负责人阿列克谢·茨维里克（Alexei Tsvelik）和加利福尼亚大学圣地亚哥分校（University of California, San Diego）的物理学教授吴从军（Congjun Wu音译）提供了关于时间逆转对称性在表面区域如何破裂以及磁场是如何产生的理论见解。

纳德·扎基说：“这一发现不仅揭示了拓扑超导状态与自发磁化之间的深层联系，而且还为铁基超导体中超导间隙功能的性质提供了重要见解，这是研究强相关非常规超导体时的一个突出问题。”

在与CMPMS部门其他合作者的另一项研究中，实验团队正在研究样品中三种元素的不同浓度如何导致观察到的现象。貌似需要碲才能达到拓扑效果，过多的铁会泯灭超导性，而硒会增强超导性。

在后续的实验中，研究小组希望通过其他方法验证时间逆转对称性的破坏，并探索在化合物中取代元素如何改变其电子行为。

彼得·约翰逊说：“作为材料科学家，我们喜欢改变混合物中的成分，看看会发生什么。” “目标是弄清楚超导性、拓扑和磁性在这些复杂材料中是如何相互作用的。”

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Significance

In the Fe-chalcogenide superconductors, topology, superconductivity, and magnetism all come together to provide a platform for a range of exotic quantum phenomena. Topology and superconductivity can interact to give topological superconductivity capable of supporting Majorana fermions that could prove to be the basis of future qubit technology. The large spin–orbit interaction associated with the topological phenomena combined with magnetism can potentially result in the quantum anomalous Hall effect although the superconductivity will work against such. It is important that we understand the relevant roles of the different phenomena. Here we provide evidence of time-reversal symmetry breaking and associated mass acquisition in a topological surface state at the superconducting transition, an observation highly suggestive of the formation of surface ferromagnetism.

Abstract

Topological superconductivity has been sought in a variety of heterostructure systems, the interest being that a material displaying such a phenomenon could prove to be the ideal platform to support Majorana fermions, which in turn could be the basis for advanced qubit technologies. Recently, the high-T_c family of superconductors, FeTe_1−xSe_x, have been shown to exhibit the property of topological superconductivity and further, evidence has been found for the presence of Majorana fermions. We have studied the interplay of topology, magnetism, and superconductivity in the FeTe_1−xSe_x family using high-resolution laser-based photoemission. At the bulk superconducting transition, a gap opens at the chemical potential as expected. However, a second gap is observed to open at the Dirac point in the topological surface state. The associated mass acquisition in the topological state points to time-reversal symmetry breaking, probably associated with the formation of ferromagnetism in the surface layer. The presence of intrinsic ferromagnetism combined with strong spin–orbit coupling provides an ideal platform for a range of exotic topological phenomena.