铁基超导体Fe(Te,Se)和基于其的拓扑超导平台研究

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高温超导和拓扑超导是近年来凝聚态物理中的两个重要的前沿研究方向。铁基超导体是继铜氧化物超导体后的第二个非常规高温超导体家族,自发现以来获得了极大的关注。铁基超导体较高的超导转变温度很难用传统的基于电-声子机制的BCS理论解释,目前广泛接受的图像是基于反铁磁自旋涨落s±配对形式,即空穴口袋和电子口袋超导序参量相位相反。Fe(Te,Se)作为铁基超导体的一员,具有大小近乎相等的电子和空穴型费米面,因此适合研究配对对称性这一问题。作为临界温度较高的超导体,Fe(Te,Se)也适合作为拓扑绝缘体/超导体异质结的衬底材料。拓扑绝缘体/超导体异质结是实现拓扑超导的形式之一,在拓扑超导体中可以寻找到能够用于拓扑量子计算的Majorana费米子。此外,研究超导体中的磁通及其束缚态有助于理解超导机理,并且在拓扑超导体的磁通中心可能存在着Majorana零能模。本文主要研究围绕铁基超导体Fe(Te,Se)展开,研究问题包括Fe(Te,Se)的配对对称性,Fe(Te,Se)的磁通及其磁通束缚态,基于Fe(Te,Se)的拓扑超导异质结平台的探索。主要研究成果如下:1,直接观测到铁基超导体Fe(Te,Se)超导能隙符合s±配对形式。测量了一系列能量的准粒子相干散射图,利用相位参考准粒子散射技术处理数据,成功演示Fe(Te,Se)空穴口袋和电子口袋超导能隙符号相反。进一步结合理论计算,证明该技术不需要额外的相位校正可以直接应用在非磁性多杂质系统中。2,Fe(Te,Se)上观测到分立的磁通束缚态。利用扫描隧道显微镜,对铁基超导体Fe(Te,Se)的磁通和磁通束缚态进行了深入研究。测量得到的束缚态能级能量近似满足理论预言的1:3:5,分别对应磁通束缚态能级的1/2级、3/2级和5/2级。这是首次观测到1964年从理论上预言的分立的Caroli-de Gennes-Matricon(Cd GM)磁通束缚态,并证明Fe(Te,Se)具有很小的费米能级。3,Bi2Te3/Fe(Te,Se)异质结上观测到二度对称性的超导能隙。利用分子束外延在铁基超导体Fe(Te,Se)上生长了高质量的拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜,成功在薄膜上利用超导近邻效应诱导出超导电性。准粒子散射实验结果表明2QL(quintuple layer)厚度的薄膜上超导能隙具有二度对称性,能隙最小值方向沿着某一晶轴方向,与理论预言的该体系下△4y拓扑超导配对形式一致。2QL和3QL厚度的薄膜上测量得到的拉长的磁通也支持超导能隙具有二度对称性。该工作不仅证明了厚度大于2QL的Bi2Te3/Fe(Te,Se)异质结上的超导能隙符合拓扑超导△4y配对形式,还提供了一种基于铁基高温超导体的探索拓扑超导的材料平台。
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