上交大研究团队从2017年以来长期潜心研究拓扑晶体绝缘体的拓扑超导电性。在前期研究中，他们利用分子束外延技术制备出原子级平整的拓扑晶体绝缘体Sn1-xPbxTe与超导体Pb形成的侧向和纵向异质结，并且利用扫描隧道显微镜发现这些异质结具有极强的超导近临效应【Advanced Materials 31, 1905582 (2019)】，以及由拓扑表面态引起的反常超导能隙特征【Physical Review Letters 125, 136802 (2020)】。随后，他们利用分子束外延技术不仅制备出大面积原子级平整的Pb薄膜，还在Pb薄膜上又外延生长出大面积原子级平整的单晶SnTe薄膜，并通过改变界面粗糙度抑制钉扎效应从而实现了对拓扑晶体绝缘体费米能级的显著调节【Science China-Physics Mechanics & Astronomy 67, 286811 (2024)】。
图1：SnTe/Pb异质结形貌和超导电性的测量。
在Nature发表的工作中，他们系统地研究了SnTe/Pb异质结的磁通涡旋中零能峰（图1）对磁场的响应情况。在垂直磁场下，SnTe薄膜厚度在十几纳米以上时，磁通涡旋中才能形成零能峰（图2）。得益于异质结极强的超导近临效应，SnTe薄膜厚度即使有几十纳米，在薄膜表面探测到的零能峰的特征依然非常明显，而且在表面可以延伸100纳米的距离而不发生劈裂（图2e）。
图2：垂直磁场下不同厚度的SnTe薄膜中磁通束缚态的空间分布。
上面的实验表明该体系中可能存在Majorana零能模，但是怎么才能证明这些磁通中含有受对称性保护的多重Majorana零能模呢？他们巧妙地利用倾斜磁场来破坏晶体对称性，并观察零能峰对磁场的响应。他们发现当倾斜磁场方向和SnTe镜面不平行时，磁通涡旋中的零能峰的空间分布呈现明显不对称的劈裂特征。即使倾斜磁场方向和(010)型镜面平行，零能峰依然呈现出不对称的劈裂特征（图3a-c）。但是，值得注意的是，当倾斜磁场方向和(1-10)型镜面平行时(理论预言Mojarana零能模受该镜面保护，倾斜磁场和该镜面平行时不破坏这个镜面对称性)，零能峰却不发生劈裂（图3d-f）。只要磁场方向不和(1-10)型镜面平行，不用很强的磁场就能使零能峰产生明显的不对称劈裂，而当磁场方向和(1-10)型镜面平行时，即使加较强的磁场，零能峰也不会发生劈裂。大量的实验测量和大规模数值模拟对比证明，SnTe(001)表面的超导电性由SnTe(001)拓扑表面态主导，磁通中零能峰的这种各向异性的磁场响应是受镜面对称性保护的多重Majorana零能模的独有特征，无法用普通束缚态或者单个Majorana零能模来解释。
图3：倾斜磁场下SnTe薄膜中磁通束缚态的空间分布。
论文共同第一作者为上海交通大学杨浩助理研究员、刘腾腾博士、以及香港科技大学温竣裕博士生。共同通讯作者为李耀义副教授、贾金锋院士和香港科技大学刘军伟副教授。论文合作者还有麻省理工学院傅亮教授。该工作得到国家自然科学基金委、科技部和上海市的资助。杨浩在博士生期间获得“上海交通大学优秀博士论文”提名论文，博士后期间入选国家“博士后创新人才”计划和上海市“超级博士后人才”计划，在该论文和前期研究中都做出了重要贡献。
论文链接（点击“阅读原文”查看）：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07857-4
