近日，物理系/国重张童、封东来课题组与南京大学万贤纲、东南大学施智祥研究组合作，在一种新型磁性/超导异质结MnTe/Bi₂Te₃/Fe(Te,Se)中发现了零能束缚态和增强的超导能隙。理论计算表明该体系可能具有非共线磁结构，为实现磁性/超导界面中的新型拓扑超导电性提供了良好平台。该工作以“Observation of robust zero-energy state and enhanced superconducting gap in a trilayer heterostructure of MnTe/Bi2Te3/Fe(Te, Se)”为题发表于Science Advances8, eabq4578 (2022)上。

长期以来，磁性材料和超导体的界面由于可能产生非常规超导（例如自旋三重态配对）而一直受到关注。最近有理论预言某些非共线磁结构（例如斯格明子）可在s波超导体中诱导出拓扑超导电性和马约拉纳零能模。由于斯格明子等磁结构容易被磁场、电流所调控，这为马约拉纳零能模的操纵提供了潜在的途径。

为了探索该类界面，课题组在Fe(Te,Se)衬底上依次生长了Bi₂Te₃和MnTe薄膜，形成了原子级平整的三层结构异质结（图A,B）。这里Bi₂Te₃是拓扑绝缘体材料，具有强自旋轨道耦合；而MnTe是二维磁性材料，具有面间反铁磁性和面内铁磁性。课题组利用极低温STM，在异质结的单层MnTe区域发现超导近邻效应（图D），并且在表面许多独立区域观测到零偏压电导峰（图C,E-G）。重要的是这些零能峰不随磁场劈裂并在低势垒下显示出隧穿电导的饱和行为（图H,I），符合马约拉纳准粒子态的特征。另外实验还发现单层MnTe的近邻超导能隙比Fe(Te,Se)的能隙有显著增大（达到1.5倍），是与一般近邻效应不同的反常现象。而作为对比，反铁磁的双层MnTe中不存在任何零能态和增强能隙，这意味着单层MnTe的磁性在这些现象中起到了重要作用。通过理论计算，研究组发现MnTe/ Bi₂Te₃界面因为打破了空间反演并具有强自旋轨道耦合，磁矩间Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 作用得到显著增强（D ~ 4.2 meV）。而DM作用是产生非共线磁结构的首要因素，因此这些偏压电态可能是某些磁结构所诱导的，是拓扑超导电性产生的重要迹象。

该工作得到了科技部重点研发计划、科技创新2030计划、国家自然科学基金、上海市科委基金等项目支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq4578

图(A): MnTe/Bi₂Te₃/Fe(Te,Se)异质结的表面形貌和原子分辨图像。(B): 异质结的外延结构示意图。(C): 零偏压电导成像，显示出单层MnTe区域具有能隙内束缚态，而其它区域没有。(D):单层MnTe增强的超导能隙(~2.9meV)，而Fe(Te,Se)的能隙只有1.9meV。(E,F,G): 单层MnTe区域内的零偏压电导峰。(H):零偏压电导峰随磁场的依赖关系。(I): 零偏压电导随隧穿势垒的降低趋于饱和，非零能处的电导则一直增加。