10月29日，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授鄭浩、賈金鋒等利用低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡在Bi2Te3/NbSe2體系中成功產(chǎn)生并探測(cè)到由庫珀對(duì)動(dòng)量導(dǎo)致的分段費(fèi)米面。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》。
材料費(fèi)米面附近的態(tài)密度決定了它們是否導(dǎo)電、透光等各種物性。而傳統(tǒng)的物態(tài)調(diào)控都是調(diào)控費(fèi)米面附近態(tài)密度，實(shí)現(xiàn)費(fèi)米面的人工調(diào)控將會(huì)為材料物性的調(diào)控帶來革命性變化。
在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)使用分子束外延技術(shù)在超導(dǎo)體NbSe2表面精確地生長(zhǎng)了4層厚的拓?fù)浣^緣體Bi2Te3薄膜。在該體系中，由于Bi2Te3表面態(tài)的費(fèi)米速度很大，因此，當(dāng)NbSe2超導(dǎo)體中庫珀對(duì)動(dòng)量還很小時(shí)，Bi2Te3表面態(tài)中庫珀對(duì)動(dòng)量已經(jīng)很大。這樣，就可以用一個(gè)很小的水平磁場(chǎng)在NbSe2表面上產(chǎn)生一個(gè)較小的超導(dǎo)電流，但這時(shí)Bi2Te3表面態(tài)中庫珀對(duì)動(dòng)量已經(jīng)足夠產(chǎn)生準(zhǔn)粒子，并導(dǎo)致分段費(fèi)米面的出現(xiàn)，從而巧妙地解決了實(shí)驗(yàn)上的困難。
研究團(tuán)隊(duì)又使用配備了稀釋制冷機(jī)和三維矢量強(qiáng)磁場(chǎng)的掃描隧道顯微鏡開展研究。他們發(fā)現(xiàn)，隨著磁場(chǎng)增大，庫伯對(duì)動(dòng)量也在提高，超導(dǎo)能隙內(nèi)準(zhǔn)粒子越來越多，這預(yù)示著超導(dǎo)體中分段費(fèi)米面逐漸產(chǎn)生。
接下來，研究團(tuán)隊(duì)利用準(zhǔn)粒子干涉(QPI)技術(shù)，在實(shí)空間探測(cè)到了駐波，通過傅里葉變換證實(shí)了在零能上費(fèi)米面的產(chǎn)生。值得注意的是，該費(fèi)米面由非超導(dǎo)Bi2Te3費(fèi)米面的一部分組成，而且其形狀和取向可以由外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向決定，完全符合理論預(yù)言的超導(dǎo)體分段費(fèi)米面的特征。
研究人員認(rèn)為，該研究創(chuàng)新性地利用拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的特殊性解決了實(shí)驗(yàn)中的困難，首次在實(shí)驗(yàn)上觀察到了50多年前理論預(yù)言的分段費(fèi)米面，并發(fā)現(xiàn)可以用磁場(chǎng)方向和大小來調(diào)節(jié)該費(fèi)米面的形狀和大小，還能調(diào)控拓?fù)湫?，?gòu)建新的拓?fù)涑瑢?dǎo)，開辟了調(diào)控物態(tài)的新方法。
上海交通大學(xué)朱朕博士和美國(guó)麻省理工學(xué)院Papaj博士為本文的共同第一作者，鄭浩、賈金鋒和麻省理工學(xué)院教授傅亮為論文共同通訊作者。(田瑞穎 黃辛)
關(guān)鍵詞： 低溫強(qiáng)磁場(chǎng) 超導(dǎo)體中分段費(fèi)米面 隧道顯微鏡
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