薛其坤/李渭研究团队在2M-WS2中发现马约拉纳束缚态

 

寻找马约拉纳束缚态是当前凝聚态物理研究的热点问题。马约拉纳束缚态是实现拓扑量子计算的基础。近日,我系李渭副教授、薛其坤教授的研究团队与中科院上海硅酸盐研究所的黄富强研究员及南京大学的张海军教授合作,在一种新型的过渡金属硫族化合物2M-WS2中发现了马约拉纳束缚态存在的证据。该工作以“Evidence of anisotropic Majorana bound states in 2M-WS2”为题发表在7月8日的Nature Physics上。


图1     2M-WS2磁通中的马约拉纳束缚态


 科学家预言,当材料同时具有s波超导的体态和非平庸的拓扑表面态时,在外磁场下,该材料的磁通中心会存在马约拉纳束缚态。近年来,这样的材料体系被逐渐发现,但现有的材料或存在以下问题:1. 超导转变温度较低,需要极端的实验观测条件。2.需要在材料中进行元素掺杂,以实现拓扑或超导性质。但掺杂会带来额外的缺陷,不利于实际应用,寻找更干净的材料体系十分迫切。
     利用低温强磁场扫描隧道显微镜技术,薛其坤/李渭研究团队在一种新型的过渡金属硫族化合物-2M相的WS2中观测到了马约拉纳束缚态(如上图所示)。通过观测其磁通内态密度随空间的演化,他们发现该马约拉纳束缚态具有高度的空间各向异性,这可能是各向异性的超导序参量和拓扑表面态共同导致的。这是科学家首次在过渡金属硫族化合物中观测到马约拉纳束缚态存在的证据。重要的是,2M-WS2是一种不需要额外元素插层或掺杂的本征材料,且极易实现机械剥离,因此,该材料是研究未来拓扑量子计算理想的材料体系之一。该材料由上海硅酸盐研究所的黄富强研究团队合成,南京大学的张海军教授基于第一性原理计算预言了该体系存在拓扑表面态,相关工作发表在Advance Materials上(https://doi.org/10.1002/adma.201901942)。
     清华大学物理系博士生袁永浩与中科院上海硅酸盐研究所的潘杰为文章的共同第一作者,清华大学李渭副教授、薛其坤教授及中科院上海硅酸盐研究所黄富强研究员为共同通讯作者。黄富强研究团队提供了实验的样品。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、北京未来芯片技术高精尖创新中心、上海市科学技术委员会、国家青年千人计划、北京市优秀人才青年拔尖项目的资助。
       附文章链接:https://www.nature.com/articles/s41567-019-0576-7