拓扑超导体

超导体

按照导电性质的不同，材料可分为“导体”和“绝缘体”两大类；而更进一步，根据电子态的拓扑性质的不同，“绝缘体”和“导体”还可以进行更细致的划分。拓扑超导体就是根据这样的新标准而划分的区别于其他超导体的一超导体。

物质简介

拓扑超导态是物质的一种新状态，有别于传统的超导体，拓扑超导体的表面存在厚度约1纳米的受拓扑保护的无能隙的金属态，内部则是超导体。如果把一个拓扑超导体一分为二，新的表面又自然出现一层厚度约1纳米的受拓扑保护的金属态。这种奇特的拓扑性质使得拓扑超导体被认为是永远不会出错的量子计算机的理想材料。

马约拉纳费米子（Majorana Fermion）是存在一种叫做拓扑超导的材料里面。超导体就是所有自然界的材料，它们有导电的，有不导电的，导电的叫导体，不导电的叫绝缘体。超导体电阻为0，它比一般的导体要好，就是在导电过程中没有电阻，这叫超导体。

而拓扑超导体是拓扑绝缘体发现以后，人们发现的另外一种物质的状态，这是一种新型的超导体。但实际上自然界中我们发现了成千上万中超导体，没有一种是拓扑超导体。拓扑超导体在自然界中存不存在，这就是一个很大的问题。

有一个理论预言，如果把拓扑绝缘体和超导体放在一起，他们俩就可以再组合成拓扑超导体。如果我们把拓扑绝缘体和超导体组合在一起，通过一种巧妙的方式把它组合起来，组合出这种拓扑超导体。

特性

拓扑超导态是物质的一种新状态

研究现状

近年来，全世界的科学家对寻找潜在的拓扑超导材料表现出极大的兴趣。2010年，美国普利斯顿大学教授R. J. Cava研究组报道在CuxBi2Se3中出现了超导现象，引起了国际上关于该体系是否拓扑超导体的广泛关注。然而，接下来的实验进展表明，CuxBi2Se3超导体的超导体积比不高（最高仅为50%左右），而且该材料在空气中极不稳定，这些不利因素极大地限制了对拓扑超导电性的进一步研究。

寻找一种新的潜在的拓扑超导单晶材料是当前拓扑超导研究中的一个挑战性课题。5年来，在这方面进展甚微。近日，在强磁场科学中心首席科学家张裕恒的领导下，该团队的研究员张昌锦研究小组在潜在的拓扑超导单晶体研究中取得新进展。研究人员利用高温熔融法，成功地把碱土金属元素Sr插入到典型的拓扑绝缘体材料Bi2Se3中，获得了高质量的SrxBi2Se3单晶体，这种材料表现出高达91.5%的超导体积比。研究人员将该材料放置于空气中长达4个月时间，发现该材料的超导性质没有发生变化，说明其在空气中十分稳定。

研究人员利用稳态强磁场实验装置五号水冷磁体对SrxBi2Se3单晶体是否存在拓扑性质进行了研究，发现该材料在10特斯拉到35特斯拉磁场区间出现了周期性的量子振荡信号，通过对该振荡信号进行分析，研究人员给出了这个体系存在拓扑保护的表面态的证据。这些结果表明SrxBi2Se3单晶体是研究拓扑超导电性的理想材料。

研究成果以Superconductivity with topological surface state in SrxBi2Se3为题，发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemistry Society）上。

(a)SrxBi2Se3单晶体的超导转变；(b)样品的超导体积分数；(c)和(d)利用稳态强磁场水冷磁体装置测量得到的样品的量子振荡；(e)和(f)通过对量子振荡数据进行分析，得到反映拓扑表面态的证据：朗道指数和1/B的截距接近0.5。

2024年4月，美国宾夕法尼亚州立大学的科研人员推出了一种手性拓扑超导体（Chiral Topological Superconductor），对于推进量子计算和探索理论手性马约拉纳粒子（Majorana particle）至关重要。相关研究发表在《科学》杂志上。

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