今日Science：磁性拓扑绝缘体中发现界面超导
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拓扑绝缘体是一类具有强自旋轨道耦合效应的材料。其内部具有绝缘性，但电子却可以在材料的边缘或表面上自由的运动。这种特性自然地使得拓扑绝缘体成为寻找拓扑超导体的潜在载体。然而，要在拓扑绝缘体/超导体异质结中实现马约拉纳零能模，通常需要外加磁场来打破材料的时间反演对称性，这一条件不可避免的会削弱甚至破坏异质结中的拓扑超导态。另一种有潜力的方案是人为构建磁性拓扑绝缘体/超导体异质结。这种磁性拓扑绝缘体异质结在零磁场下依然会产生拓扑超导态和马约拉纳零能模。结合磁性拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应，人们还有可能实现理论预测的一维手性马约拉纳模。
目前，构建量子反常霍尔绝缘体/超导体异质结主要使用溅射蒸镀的技术，将一层较厚的s波超导体（例如~100 nm Nb）溅射到磁性拓扑绝缘体表面。这种方法获得的超导体薄膜通常是非晶形态的，因而削弱了量子反常霍尔效应/超导体界面上的超导近邻效应。分子束外延生长技术，是一种原子层水平控制薄膜晶体生长的方法。在未来量子计算的大规模电路应用领域，分子束外延方法生长的具有原子级平整界面的异质结，更受青睐。另外，构建量子反常霍尔绝缘体/超导体异质结的一个实验难点是，当s波超导体薄膜生长在磁性材料上时，由于界面处的自旋翻转散射作用，通常会抑制甚至破坏超导薄膜中的超导性。为了探索实验上可实现的替代方案，人们着手研究了具有界面超导性的量子反常霍尔绝缘体/非超导材料异质结，它可以作为研究手性拓扑超导体的理想载体。最近的研究进展指出，在(Bi/Sb)2Te3/FeTe异质结构中可以实现界面超导性。其中(Bi/Sb)2Te3是经典的三维拓扑绝缘体，而FeTe母体则是不超导的反铁磁金属。特别需要注意的是，由于磁性Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3和未掺杂的(Bi,Sb)2Te3具有相同的晶格结构和相似的生长条件，这为在反铁磁FeTe薄膜上生长Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3薄膜提供了机会。
近日，美国宾夕法尼亚州立大学的Cui-Zu Chang 课题组利用分子束外延技术设计和实现了基于磁性拓扑绝缘体的异质结，并发现了异质结中超导性，铁磁性和拓扑电子结构的共存。该工作为研究手征拓扑超导提供了极有潜力的材料平台。相关工作以“Interface-Induced Superconductivity
in Magnetic Topological Insulators”为题，于2024年2月9日在Science 上以Research Article 的形式在线发表。宾夕法尼亚州立大学Hemian Yi 博士和Yi-Fan Zhao 博士，罗格斯大学的博士生Ying-Ting Chan, 华盛顿大学西雅图分校的博士生Jiaqi Cai为论文共同第一作者，宾夕法尼亚州立大学的Cui-Zu
Chang 教授，Chao-Xing
Liu教授， 罗格斯大学的Weida Wu教授为论文共同通讯作者。
研究者首先对分子束外延技术生长的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3/FeTe异质结进行了晶体结构的表征（图1）。透射电子显微镜测量揭示了异质结具有原子级平整的界面。另外，角分辨光电子能谱观测到了狄拉克点位于费米能级附近的拓扑表面态。接下来，研究者对一系列磁性拓扑绝缘体异质结进行了电输运测量。尽管分子束外延方法生长的FeTe薄膜表现出反铁磁行为，低温下未呈现超导性，但是当在FeTe薄膜上生长了一层磁性拓扑绝缘体薄膜后，异质结中表现出了超导性。这一特征表明异质结中的超导性是由其界面诱导产生的。随后，研究者系统地研究了超导性与FeTe层厚度的关系。他们发现随着 FeTe厚度减小，异质结的电阻表现出超导体-金属-绝缘体相变的现象。
图1: 分子束外延方法生长的磁性拓扑绝缘体与铁碲异质结的构造以及超导性。
为了验证异质结中铁磁性的存在，研究者首先对样品进行了霍尔电阻的测量（图2）。在超导转变温度之上，样品的霍尔电阻中出现磁滞回线；在超导转变温度区间内，他们观测到了一个较小霍尔电阻的磁滞回线。霍尔电阻的测量证实了铁磁性的存在。这种超导和铁磁性共存的现象也可以通过反射磁圆二色性（RMCD）的测量得到进一步的验证。在整个超导温区内，异质结的RMCD 实验观测到了磁滞回线，表明铁磁性在超导温度下持续存在。此外，当样品处于超导态时，研究者还利用磁力显微镜直接观察到了铁磁磁畴（图3）。磁畴成核和畴壁的传播演化过程表明了样品中具有长程铁磁序和超导态的共存。
为了验证界面诱导FeTe产生了超导和Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3薄膜中的超导近邻效应，研究者对样品进行了低温扫描隧道显微镜/谱的测量（图4）。尽管FeTe薄膜不超导，但是研究者在生长了一层磁性拓扑绝缘体样品的表面上，观察到了超导能隙。这一测量结果进一步表明异质结中的超导性是由界面诱导产生的。随着层厚的增加，超导能隙的大小逐渐减小；而且在10层的Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3上，研究者仍然观察到了较大的超导能隙。另外，变温实验发现，在8层的Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3表面，能隙消失的温度略低于输运测量中的超导转变温度。这些特征进一步证实了磁性拓扑绝缘体表面上观察到的超导能隙来自于超导近邻效应。
图4: 使用扫描隧道显微镜在磁性拓扑绝缘体表面上观测到了近邻效应产生的超导能隙。
通过分子束外延方法生长的具有原子级平整界面的磁性拓扑绝缘体异质结，存在界面超导性和超导近邻效应，满足了实现手性拓扑超导态的三个基本要求。这为探索手性马约拉纳物理以及开发大尺寸的拓扑量子计算的平台提供了一个有前景的材料体系。
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