近日，中國科學(xué)院合肥合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心關(guān)于鐵基超導(dǎo)Fe(Te,Se)中晶格疇壁缺陷束縛態(tài)的研究取得進(jìn)展，研究成果發(fā)表在Physical Review Letters上。
自2014年理論上指出由于具有多軌道特征，鐵基超導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)在某些條件下具有類似于拓?fù)浣^緣體中能帶拓?fù)涮匦砸詠?，關(guān)于鐵基超導(dǎo)拓?fù)湮飸B(tài)的后續(xù)理論與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展迅速。近年來，實(shí)驗(yàn)通過測量具有拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)的鐵基超導(dǎo)體中拓?fù)淙毕荩▎伍g隙鐵雜質(zhì)、線缺陷和磁通渦旋等）對(duì)超導(dǎo)態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)這些拓?fù)淙毕菟`的準(zhǔn)粒子特性表現(xiàn)出類似馬約拉納準(zhǔn)粒子的特征。結(jié)合鐵基超導(dǎo)中拓?fù)湮飸B(tài)理論，一種理解是這些鐵基超導(dǎo)體系中存在二維表面或一維邊界拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)，拓?fù)淙毕菘梢允`馬約拉納準(zhǔn)粒子。然而，不同實(shí)驗(yàn)組的測量表明，雜質(zhì)、線缺陷和磁通渦旋對(duì)超導(dǎo)態(tài)的響應(yīng)表現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性，尚未達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果理解的共識(shí)性。
該研究針對(duì)近來實(shí)驗(yàn)上報(bào)道的Fe(Te,Se)中晶格位錯(cuò)導(dǎo)致的一維疇壁（一種線缺陷）的超導(dǎo)準(zhǔn)粒子束縛態(tài)開展理論研究。研究發(fā)現(xiàn)，晶格疇壁的構(gòu)型及其鐵磁基態(tài)對(duì)形成具有線性色散的一維馬約拉納準(zhǔn)粒子具有關(guān)鍵作用，可以解釋實(shí)驗(yàn)上觀測到的晶格疇壁STM成像特征以及近常數(shù)態(tài)密度的STS譜。以此為基礎(chǔ)，研究提出通過操控晶格疇壁的鐵磁性來實(shí)現(xiàn)馬約拉納零模的產(chǎn)生與融合，并進(jìn)一步提出理論方案來實(shí)現(xiàn)馬約拉納零模的編織操作以期對(duì)其非阿貝爾統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的證明提供新思路。
具體而言，該工作通過第一性原理建模并計(jì)算了Fe(Te,Se)中多種可能的晶格位錯(cuò)導(dǎo)致的晶格疇壁構(gòu)型，通過理論模擬STM圖像，發(fā)現(xiàn)只有一種晶格疇壁構(gòu)型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致（圖1(a)-(d)），其重要特征包含兩點(diǎn)：一是其疇壁取向與晶格位錯(cuò)方向成45°角（圖1(a)-(d)），二是由于疇壁處下層的Fe-Te/Se鍵斷裂導(dǎo)致疇壁會(huì)形成隆起的結(jié)構(gòu)（圖1(c)-(d)）。進(jìn)一步計(jì)算表明，由于晶格疇壁處Fe的3d電子局域性增強(qiáng)，其會(huì)形成沿著疇壁走向的面內(nèi)鐵磁性（圖1(e)）?；诖?，研究提出一個(gè)界面拓?fù)涑瑢?dǎo)-鐵磁-界面拓?fù)涑瑢?dǎo)的有效模型（圖2 (a)），其物理圖像是Cooper對(duì)電子通過鐵磁層被散射后，鐵磁層會(huì)對(duì)超導(dǎo)序參量貢獻(xiàn)一個(gè)額外的相位，相位的大小與鐵磁層的寬度和有效交換場強(qiáng)度有關(guān)，可以類比FFLO的超導(dǎo)態(tài)（圖2 (b)）。通過具體求解該有效模型發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相位嚴(yán)格等于pi時(shí)可以得到線性色散的一維馬約拉納準(zhǔn)粒子，考慮可能的相位偏差情況，可以解釋實(shí)驗(yàn)上隧道譜的細(xì)微變化（圖2 (c)）。此外，研究還預(yù)測了界面相位電池效應(yīng)（圖2 (d)），在此基礎(chǔ)上，提出了通過操控鐵磁層磁矩的大小來實(shí)現(xiàn)馬約拉納零模的產(chǎn)生與融合（圖3 (a)-(c)），理論上提出一種方案來構(gòu)筑超導(dǎo)鐵磁環(huán)路結(jié)構(gòu)（圖3 (d)-(e)），通過調(diào)節(jié)超導(dǎo)的相位差來實(shí)現(xiàn)四個(gè)馬約拉納零摸的編織操作（圖3 (f)-(g)），并通過利用AB效應(yīng)的干涉電路來讀出相應(yīng)的編織結(jié)果（圖3 (h)-(i)），以期為證明馬約拉納零模的非阿貝爾統(tǒng)計(jì)性質(zhì)提供新思路。
研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。
