中大新聞網(wǎng)訊（通訊員明方飛）中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院（微電子學(xué)院）明方飛副教授與南方科技大學(xué)王克東課題組、美國田納西大學(xué)Weitering課題組等合作，在硅基拓撲超導(dǎo)研究方面取得重要進展，相關(guān)成果以“Evidence for chiral superconductivity on a silicon surface”為題，近期以封面文章形式發(fā)表于物理學(xué)頂級刊物Nature Physics，如圖1。明方飛副教授為該論文的第一作者，中山大學(xué)為第一完成單位。
圖1：Nature Physics雜志2023年4月期封面，展示的是超導(dǎo)的硅111表面稀疏晶格的準(zhǔn)粒子散射圖，中間的六角星結(jié)構(gòu)是區(qū)分系統(tǒng)具有手性拓撲超導(dǎo)的關(guān)鍵證據(jù)之一。
超導(dǎo)體可以在沒有電阻或能量耗散的情況下傳導(dǎo)電流，被廣泛地用于產(chǎn)生強磁場，服務(wù)于科學(xué)設(shè)施、醫(yī)學(xué)成像以及高速軌道交通等領(lǐng)域，同時在降低器件功耗方面被寄予厚望。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)體被賦予了更重要的功能——制備量子比特和量子計算機。硅是當(dāng)前電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料，但在未來新型電子器件的研究中它常被當(dāng)作“傳統(tǒng)”或“被替代”材料，部分原因是人們認(rèn)為在具有弱互相作用的sp電子體系中難以實現(xiàn)新穎量子效應(yīng)。
研究團隊通過巧妙設(shè)計硅表面的二維結(jié)構(gòu)和摻雜方法，實現(xiàn)了硅基非傳統(tǒng)超導(dǎo)。所制備的系統(tǒng)如圖2所示：在Si(111)的終止表面引入1/3單層、同為四價的錫原子形成稀疏三角晶格，實現(xiàn)具有強關(guān)聯(lián)電子性的二維結(jié)構(gòu)；進一步通過將硼元素置于亞表層并規(guī)則排列，實現(xiàn)了對稀疏晶格的高濃度且無損的空穴摻雜。摻雜后結(jié)構(gòu)由摩特絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，同時超導(dǎo)強度也顯著的隨摻雜濃度變化。盡管其超導(dǎo)溫度（≤9 K）仍顯著低于液氮溫度(77 K)，但其超導(dǎo)物理特性與高溫超導(dǎo)是非常類似的，屬于非傳統(tǒng)超導(dǎo)。
另一方面，這一硅基二維晶格具有三重對稱性，其超導(dǎo)最低能態(tài)可由兩種不同的d波序參量疊加而成，而根據(jù)疊加方式不同呈現(xiàn)不同的手性特征，即手性d波超導(dǎo)態(tài)。研究團隊利用掃描隧道顯微鏡在超低溫和磁場條件下對超導(dǎo)特性進行高精度的測量，獲得了手性d波超導(dǎo)的有力證據(jù)。這是一種人們渴望實現(xiàn)的新穎拓撲物態(tài)，具有制備量子比特和實現(xiàn)量子計算方面潛力，而在硅系統(tǒng)中實現(xiàn)此物態(tài)將可能幫助量子技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用。
圖2：硅（111）表面1/3單層的錫原子構(gòu)成的稀疏三角晶格結(jié)構(gòu)：Sn/Si(111)-(?3×?3)R30o。STM圖像顯示這一結(jié)構(gòu)在摻雜后仍高度均勻。相圖顯示類似于銅氧化物高溫超導(dǎo)體的特性：通過摻雜摩特絕緣體獲得超導(dǎo)性。
