上海交通大學(xué)日前舉行的新聞發(fā)布會傳來消息——上海交大賈金鋒、鄭浩團隊“實驗證實超導(dǎo)態(tài)‘分段費米面’”科研成果入選2022年度“中國科學(xué)十大進展”，是上海交通大學(xué)時隔十一年再次入選“中國科學(xué)十大進展”。
眾所周知，我們的手機、電腦用的時間長了會變熱，這是因為普通導(dǎo)體有電阻，所以在導(dǎo)電的同時會發(fā)熱。超導(dǎo)體的神奇之處在于它沒有電阻，導(dǎo)電的時候不發(fā)熱。
超導(dǎo)現(xiàn)象自從1911年被發(fā)現(xiàn)，到現(xiàn)在經(jīng)過好幾代物理學(xué)家前赴后繼的研究，產(chǎn)生了大量的重要學(xué)術(shù)成果，光諾貝爾獎就得過5次之多。但是，經(jīng)過百余年的研究，超導(dǎo)物理中仍然有些尚未解決的課題，都是難啃的硬骨頭。
大量研究表明，超導(dǎo)體雖然導(dǎo)電（而且是零電阻導(dǎo)電），但是卻沒有費米面。1965年德國物理學(xué)家Peter Fulde理論預(yù)言，讓超導(dǎo)體中庫珀對動起來，如果速度足夠快，就有可能在原本沒有費米面的超導(dǎo)體中產(chǎn)生出一種特殊的“分段費米面”。
然而，對多數(shù)單一超導(dǎo)材料而言，庫珀對速度太大會直接破壞超導(dǎo)態(tài)。實現(xiàn)“分段費米面”在實驗上十分困難，雖然一直有人嘗試，但未能取得突破。
上海交通大學(xué)賈金鋒、鄭浩團隊與麻省理工學(xué)院傅亮團隊合作，設(shè)計制備了拓撲絕緣體/超導(dǎo)體（Bi2Te3/NbSe2）異質(zhì)結(jié)體系，借助超導(dǎo)近鄰效應(yīng)在Bi2Te3中誘導(dǎo)出超導(dǎo)，得益于Bi2Te3拓撲表面態(tài)的費米速度極高的獨特優(yōu)勢，只需要很小的庫珀對速度，就實現(xiàn)并觀察到了預(yù)言中的“分段費米面”。
研究表明，擁有“分段費米面”的超導(dǎo)體，可以實現(xiàn)正向零電阻導(dǎo)電、反向非零電阻導(dǎo)電的獨特現(xiàn)象，可以用來構(gòu)建超導(dǎo)計算機，實現(xiàn)無能耗的高效計算。另外，還可以為例如有限動量超導(dǎo)、庫珀對密度波等很多具有重要物理學(xué)理論研究價值的課題提供關(guān)鍵的研究載體。
中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授、李政道研究所拓撲量子計算實驗平臺負責(zé)人賈金鋒表示，該項成果是上海交大物理與天文學(xué)院團隊多年工作的積累和延續(xù)，2012年團隊制備出了拓撲絕緣體/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)體系，證明了該體系為拓撲超導(dǎo)，并在其中觀察到了人們長期追求的馬約拉納零能模。這次的成果是在該體系中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，是對該體系持續(xù)不斷研究的最佳回報。
上海交大物理與天文學(xué)院教授、李政道研究所平臺建設(shè)學(xué)者鄭浩說，強調(diào)將拓撲絕緣體表面態(tài)費米速度大的優(yōu)勢，跨領(lǐng)域地應(yīng)用到超導(dǎo)研究中來，是解決問題的關(guān)鍵。未來將會以具有“分段費米面”的超導(dǎo)體為平臺，探索構(gòu)筑新型拓撲超導(dǎo)態(tài)和實現(xiàn)超導(dǎo)二極管效應(yīng)等重要物理效應(yīng)的可能性。
記者：劉曉晶
編輯：寧平英
校對：陳海笑
審校：韋麗
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