合肥研究院獲得穩定高質量拓撲超導單晶材料

　　中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心科研人員在拓撲超導單晶體研究中取得新進展。研究人員獲得高質量的SrxBi2Se3單晶體，這種材料表現出高達91.5%的超導體積比，且該材料在空氣中十分穩定。利用穩態強磁場實驗裝置對SrxBi2Se3單晶體進行了研究，研究人員發現該材料在10特斯拉到35特斯拉磁場區間出現了周期性的量子振蕩信號，給出了此體系存在拓撲保護表面態的證據。

　　拓撲超導態是物質的一種新狀態，有別于傳統的超導體，拓撲超導體的表面存在厚度約1納米的受拓撲保護的無能隙的金屬態，而內部則是超導體。如果把一個拓撲超導體一分為二，其新的表面又自然出現一層厚度約1納米的受拓撲保護的金屬態。這種奇特的拓撲性質使得拓撲超導體被認為永遠不會出錯的量子計算機的理想材料。

　　近年來，全世界的科學家對尋找潛在的拓撲超導材料表現出極大的興趣。2010年，美國普利斯頓大學教授R. J. Cava研究組報道在CuxBi2Se3中出現了超導現象，引起了國際上關于該體系是否拓撲超導體的廣泛關注。然而，接下來的實驗進展表明，CuxBi2Se3超導體的超導體積比不高（最高僅為50%左右），而且該材料在空氣中極不穩定，這些不利因素極大地限制了對拓撲超導電性的進一步研究。

　　尋找一種新的潛在的拓撲超導單晶材料是當前拓撲超導研究中的一個挑戰性課題。5年來，在這方面進展甚微。近日，在強磁場科學中心首席科學家張裕恒的領導下，該團隊的研究員張昌錦研究小組在潛在的拓撲超導單晶體研究中取得新進展。研究人員利用高溫熔融法，成功地把堿土金屬元素Sr插入到典型的拓撲絕緣體材料Bi2Se3中，獲得了高質量的SrxBi2Se3單晶體，這種材料表現出高達91.5%的超導體積比。研究人員將該材料放置于空氣中長達4個月時間，發現該材料的超導性質沒有發生變化，說明其在空氣中十分穩定。

　　研究人員利用穩態強磁場實驗裝置五號水冷磁體對SrxBi2Se3單晶體是否存在拓撲性質進行了研究，發現該材料在10特斯拉到35特斯拉磁場區間出現了周期性的量子振蕩信號，通過對該振蕩信號進行分析，研究人員給出了這個體系存在拓撲保護的表面態的證據。這些結果表明SrxBi2Se3單晶體是研究拓撲超導電性的理想材料。

　　研究成果以Superconductivity with topological surface state in SrxBi2Se3 為題，發表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemistry Society）上。

　　該研究得到了國家重點基礎研究計劃、國家自然科學基金和中國科學院合肥大科學中心科學研究項目支持。

(a) SrxBi2Se3單晶體的超導轉變；(b) 樣品的超導體積分數；(c)和(d) 利用穩態強磁場水冷磁體裝置測量得到的樣品的量子振蕩；(e)和(f) 通過對量子振蕩數據進行分析，得到反映拓撲表面態的證據：朗道指數和1/B的截距接近0.5。