单层过渡金属硫族化合物中的拓扑超导态研究

The realization of topological superconductors which support zero-energy Majorana fermions has been one of the most important topics in condensed matter physics in recent years. Intensified studies in this direction will contribute to the realization of fault-tolerant topological quantum computation. In this process, the quantum materials play a central role. The unique crystal and band structure in monolayer transition-metal dicholognides (MX2), a kind of recently discovered two-dimensional crystals, give rise to novel physical properties. Based on our long-term efforts and research experiences accumulated on the study of monolayer MX2, including sample growth, device fabrication and quantum transport, we plan to study the topological superconductivity by employing the robust quantum spin Hall effect and Ising superconductivity observed in monolayer MX2 in this proposal. The topological quantum states and Majorana bound states created in hybrid devices, such as two-dimensional topological insulator/s-wave superconductor, normal metal/Ising superconductor, and half-metal nanowire/Ising superconductor, will be studied by measuring tunneling conductance. The possibilities of manipulation of Majorana bound states will be explored by modulating the gate voltage and magnetic fields.

实现承载马约拉纳零能模的拓扑超导体是近年来凝聚态物理研究的重点课题。对这一方向加以研究，有助于实现免退相干的拓扑量子计算。在这一过程中，新型量子材料占有非常重要的地位。单层过渡金属硫族化合物（MX2）是最近发现的新型二维晶体材料，独特的晶体结构和能带结构赋予其新奇的物理性质。本研究正是基于我们在单层MX2的材料生长、量子器件制备以及量子输运等方面的积累与优势，拟利用单层MX2材料中鲁棒的（robust）量子自旋霍尔效应及伊辛（Ising）超导电性对其中可能存在的拓扑超导态展开研究。借助微纳加工手段制备出二维拓扑绝缘体/s波超导体、正常金属/Ising超导体以及半金属纳米线/Ising超导体等复合器件，通过低温隧穿测量探测其中的拓扑量子态和马约拉纳束缚态，并利用门电压和磁场对其进行操控。

探索实现承载马约拉纳零能模的拓扑超导体是近年来凝聚态物理研究的重点课题。本项目重点开展了少层过渡金属硫化合物(TMDCs)的生长与拓扑物性研究，主要包括：(1) 通过相工程实现了少层MoSexTe2-x结构与物性调控，为二维材料中利用相工程调控物性提供了重要参考；(2) 通过W的取代实现了MoxW1-xTe2体系由超导态到第二类外尔半金属态的转变，为在TMDCs中通过元素取代实现物态调控提供了重要参考，也为利用第二类外尔半金属构造外尔超导体提供了新思路；(3) 在少层MoTe2中，首次发现了一种由各向异性自旋－轨道耦合导致的新型伊辛超导体电性。与已经发现的面内各向同性的伊辛超导体不同，该新型超导体的面内上临界磁场[H_(c2,∥)]呈现出显著的两度对称性，并且在不同方向均超过泡利极限。这是在实验上首次观察到面内各向异性的伊辛超导电性。这一发现将有助于加深对TMDCs中新奇超导现象的认识，有助于促进相关材料在超导自旋电子学器件的应用研究；(4) 利用具有厚度梯度的Mo0.25W0.75Te2薄膜，首次在同一样品上证实了第二类外尔半金属态的维度依赖性，以及外尔轨道中厚度依赖的量子振荡相位，拓展了利用输运实验研究外尔半金属态的思路，进一步加深了对费米弧表面态和拓扑材料的认知；(5) 在NbSe2/MnPS3范德瓦尔斯异质结中，初步的实验结果表现出明显的超导增强现象，反映出不寻常的超导电性；(6) 利用Al/少层MoTe2超导复合器件，在直流约瑟夫森实验中观察到了清晰的干涉图样，其周期与计算的周期相吻合，并且衍射图样在第一个节点处出现能隙打开的现象。与标准的夫郎禾费衍射图样相比，第一个峰的相对峰高偏低，意味着在超导体与MoTe2界面处形成了二维拓扑超导，这一猜想也从交流约瑟夫森实验中观测到了半整数台阶得到了佐证。与此同时，我们研究了NbTiN/少层MoTe2复合器件中的超导电性。目前由于制备器件的工艺尚不成熟，只看到了部分超导邻近效应。下一步要制备电极间距更小的器件，期望看到完全的超导邻近效应，进而观测其中的非常规超导电性。