超導(dǎo)態(tài)的最本質(zhì)特征是存在電子之間的兩兩配對，其配對的特性——配對對稱性是理解超導(dǎo)微觀機理的重要窗口。根據(jù)對稱性的不同，超導(dǎo)態(tài)分為s波、p波、d波等。傳統(tǒng)理論中，p波配對的超導(dǎo)態(tài)由于其非平庸的拓?fù)涑蔀槭熘耐負(fù)涑瑢?dǎo)，但如果一個超導(dǎo)體內(nèi)部電子配對是各向同性的s波，傳統(tǒng)理論認(rèn)為超導(dǎo)態(tài)不會具有非平庸的拓?fù)湫再|(zhì)。
2008年鐵基高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以來，其電子配對特征存在爭議。雖有較強實驗證據(jù)支持配對是各向同性的s波，但由于鐵基高溫超導(dǎo)體中存在較強的電子關(guān)聯(lián)，理論預(yù)言可以存在不同類型的s波，他們的超導(dǎo)序參量在動量空間的符號分布可以不同。以單層FeSe/STiO3為例，盡管該體系在鐵基超導(dǎo)體中有最簡單的晶格和電子結(jié)構(gòu)，根據(jù)其費米面上超導(dǎo)序參量的符號，研究認(rèn)為其配對對稱性存在三種可能性（圖1）：無節(jié)點的d波超導(dǎo)態(tài)、有符號反轉(zhuǎn)的s波超導(dǎo)態(tài)，以及無符號反轉(zhuǎn)的s*±波超導(dǎo)態(tài)。對于d波態(tài)和s波態(tài)，由于其超導(dǎo)序參量在對稱性操作下具有不同的變換性質(zhì)，可以通過類似于銅基超導(dǎo)體中的約瑟夫森結(jié)實驗來區(qū)分；而s*±波態(tài)和s波態(tài)具有完全相同的對稱性，這對實驗上如何區(qū)分這兩種超導(dǎo)態(tài)提出了挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心凝聚態(tài)理論與材料計算實驗室研究員胡江平和方辰，與中國科學(xué)院大學(xué)卡弗里理論科學(xué)研究所教授張富春、博士后秦盛山，提出了利用拓?fù)湫再|(zhì)來甄別鐵基超導(dǎo)體的不同s波配對對稱性。
2014年，胡江平研究組在理論上預(yù)言鐵基超導(dǎo)體存在非平庸的拓?fù)淠軒?，近年來該預(yù)言已被大量實驗證實，但在過去的這些研究中，鐵基超導(dǎo)體的拓?fù)湫再|(zhì)局限于其非平庸拓?fù)淠軒бl(fā)的表面態(tài)，無法和鐵基超導(dǎo)體內(nèi)稟的配對性質(zhì)關(guān)聯(lián)。此外，2012年，胡江平研究組提出，由于鐵基超導(dǎo)體的非點式（nonsymmorphic）晶格結(jié)構(gòu)可引發(fā)非傳統(tǒng)的超導(dǎo)配對對稱性。
本工作進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，由于非點式晶格結(jié)構(gòu)，布里淵區(qū)的邊界上存在特殊的能帶簡并，導(dǎo)致鐵基超導(dǎo)體不同的s波超導(dǎo)配對對稱性具有完全不同的拓?fù)湫再|(zhì)。圖1中的s波態(tài)是拓?fù)淦接沟?，?/span>s*±波態(tài)是由晶格對稱性保護(hù)的二階拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)。這是在實際材料體系中首次提出的內(nèi)稟（intrinsic）高階拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)。研究預(yù)言，如果單層FeSe/STiO3是s*±波態(tài)，那么在其（10）邊界（邊界由最近鄰的Fe-Se-Fe構(gòu)成）上存在兩個對稱性保護(hù)的Dirac錐，且在其由（11）和（11）邊界構(gòu)成的角（由最近鄰Fe-Fe構(gòu)成的直角）上存在一對Majorana零能模，如圖2所示。以上結(jié)論同樣適用于其他鐵基超導(dǎo)體。Dirac錐型的邊界態(tài)和位于角上的Majorana零能?？梢酝ㄟ^STM等方法直接觀測。
該研究提供了一種確鑿的實驗可觀測量來區(qū)分鐵基超導(dǎo)體配對對稱性，為今后尋找中心反演對稱的（inversion symmetric）拓?fù)涑瑢?dǎo)體奠定了理論基礎(chǔ)：如果拓?fù)涑瑢?dǎo)體的配對對稱性是s波，那么其晶格結(jié)構(gòu)必須是非點式的，鐵基超導(dǎo)體正好是這樣一個例子。相關(guān)研究成果發(fā)表在Physical Review X上。研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的支持。
