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台灣研究團隊發現新拓樸材料,未來可望實現量子計算——《物理雙月刊》

文/中央研究院物理研究所

中央研究院物理所莊天明博士與張嘉升博士所帶領的研究團隊與國立臺灣大學、國立清華大學合作,共同發現了超導性拓樸表面態存在於層狀材料 PbTaSe2 上。這項發現為研究拓樸超導體與未來的容錯性量子計算應用提供了一個優良的平臺。此一研究成果於 2016 年 11 月 23 日發表在美國科學促進會(American Association for the Advancement of Science; AAAS)出版之線上期刊「科學進展」(ScienceAdvances)。

中央研究院物理所莊天明博士與張嘉升博士所帶領的研究團隊與國立臺灣大學、國立清華大學合作,共同發現了超導性拓樸表面態存在於層狀材料 PbTaSe2 上。圖/Superconducting topological surface states in the noncentrosymmetric bulk superconductor PbTaSe2

尋找物質的新狀態一直具有基礎科學和應用科技上的重要性。例如在磁性材料中,自旋的研究發現巨磁阻現象(2007 年諾貝爾獎)和硬碟的小型化。1980 年發現的量子霍爾效應(1985 年諾貝爾獎)和後續的拓樸能帶理論(今年諾貝爾獎)開闢了一個全新的拓樸相研究領域。拓樸絕緣體的理論預測和實驗確認是這個領域的重大進展。如同普通絕緣體一樣,拓樸絕緣體具有能隙可將共價帶與傳導帶的能帶分開。然而在材料的邊界處,拓樸絕緣體具有受拓樸保護的優異導電性。此邊界的導電性不易受到雜質影響,可以利用於高效的電子元件。

當拓樸絕緣體結合超導體時,理論上可以導致另一類重要的材料:拓樸超導體。拓樸超導體的特徵在於能帶結構內的完整超導能隙和拓樸保護的無能隙表面態。在拓樸超導體中,一種尚未確認的費米子──馬約拉那(Majorana)費米子(此粒子為自身的反粒子),會被束縛在如超導渦流這樣的拓樸缺陷,這樣的組合被預測會表現出非阿貝爾(non-Abelian)統計,因此可成為容錯性量子計算的基礎。

馬約拉納費米子(Majorana fermion)是一種費米子,它的反粒子就是它本身,1937年,埃托雷·馬約拉納發表論文假想這種粒子存在,因此而命名。圖/由 Mondadori Publishers- [1] [2],公有領域,wikimedia commons

在拓樸絕緣體中引入超導的最簡單方法是將其摻雜出超導性或於其上覆蓋 s-波超導體。

然而,這兩種方法在技術上都是有挑戰性的,因為摻雜難以製造出均勻有序的材料,而在多層結構中製造出原子尺度下乾淨的界面也相當困難。解決的方法是尋找適合的符合化學配比(stoichiometric)超導材料,在高於超導轉變溫度時,在費米面上展現出拓樸表面態,並且在超導態時,具有完整超導能隙。到目前為止,尚未有這種物質被發現。

由中研院物理所的陳鵬仁博士和國立清華大學的鄭弘泰教授透過密度泛函計算研究層狀材料 PbTaSe2 的電子結構,發現其能滿足成為拓樸超導體的條件,他們的理論計算結果提供了實驗團隊清楚的動機與方向。材料由台大凝態中心的雷曼(Raman Sankar)博士和研究員周方正博士成功合成出高品質的單晶樣品,並由該中心研究員朱明文博士使用高解析的掃描穿透式電子顯微鏡確認詳細的晶體結構。

PbTaSe2 的表面與電子結構則由台灣大學物理所博士生關旭佑、中研院物理所張嘉升博士和莊天明博士使用先進的自製掃描穿隧電子顯微鏡觀察原子尺度下電子的波函數變化,確認了理論預測中 PbTaSe2 的拓樸能帶的能譜特徵和超導特性。此研究成果為:

在符合化學配比的塊材中,首次發現到具有完整超導能隙的拓樸表面態。

該團隊的成果展示 PbTaSe2 是一個值得重視的拓樸超導體候選材料。研究團隊下一步重點在於理解拓樸表面態進入超導態後的特性,以實現未來量子計算的目標。

  • 這項研究計畫由中央院奈米科學研究計畫、台灣科技部和國立台灣大學經費支持。莊天明博士亦受建大文教基金會傑出年輕金玉學者獎的贊助。

 

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 2 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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