科研进展 | 本实验室钟定永教授团队在二维磁性-超导异质结量子物态调控方面取得进展

      磁性与超导电性是广受关注的宏观量子现象。当磁性材料与超导材料形成异质结时，由于两种物态的相互竞争与耦合，有可能在界面处呈现多种新奇量子现象。理论预言，磁性结构与s波超导体结合构筑的杂化系统，在合适的参数条件下会进入拓扑超导态并在缺陷（末端、边缘、磁通涡旋中心等）处出现马约拉纳零能模或边缘态，这被认为是实现高容错拓扑量子计算的物质基础。近些年来，在实验上探寻基于低维磁性-超导杂化系统的拓扑超导态是量子物态调控领域的重要研究课题。

      钟定永教授团队开展低维与表面小量子系统的精准构筑及量子物态调控研究，在二维磁性体系的可控制备和原子尺度物性研究方面积累了丰富的经验（Sci. Bull. 65, 1064-1071 (2020)、ACS Appl. Mater. & Interfaces 15, 19574 (2023)）。最近，他们通过分子束外延技术在NbSe₂超导衬底表面实现了高质量单层CrI₂反铁磁薄膜的外延生长，得到了二维CrI₂-NbSe₂异质结。他们利用扫描隧道显微镜对异质结在低温下可能出现的新奇量子态进行探索，发现在二维CrI₂岛内部仍然可以探测到典型的超导能隙，但在二维岛边缘处存在能量处于超导能隙内的边缘态。同时他们发现，在CrI₂内部有些结构缺陷处存在缺陷诱导的零偏压电导峰，可能是体系中存在马约拉纳零能模的实验证据。在施加外磁场后，CrI₂-NbSe₂异质结表面的磁通涡旋打破了NbSe₂超导衬底原有的三重旋转对称性，表明外延CrI₂层对界面超导态产生了有效调制作用（图1）。研究团队结合理论数值模拟和第一性原理计算，进一步建立了二维反铁磁绝缘体-s波超导杂化系统的唯象理论模型，揭示该体系可以实现陈数为偶数的拓扑超导态，这为实验上的发现提供了一个定性的自洽理解。该研究工作为探索拓扑超导态和马约拉纳边缘态提供了一个极具吸引力的平台。

图1 单层CrI₂-NbSe₂异质结中拓扑超导态存在的迹象

      研究成果于2024年7月24日以“Observation of In-Gap States in a Two-Dimensional CrI₂/NbSe₂Heterostructure”为题发表在国际知名期刊《Nano Letters》上。bet亚洲登录官方网站、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、光电材料与技术国家重点实验室钟定永教授为论文通讯作者，博士后李培根与博士研究生张济海为共同第一作者。严忠波教授、姚道新教授和侯玉升副教授研究组为该工作提供了理论计算支持，郭东辉教授和沈冰副教授研究组参与了实验工作。上述工作得到了国家自然科学基金、国家重点研究计划、广东省基础与应用基础研究重大项目、广东省磁电物性分析与器件重点实验室以及深圳量子科学与工程研究院的大力支持。