研究背景

利用包含s波超導(dǎo)體（SC）和具有強(qiáng)自旋-軌道耦合的1D或2D半導(dǎo)體混合系統(tǒng)的超導(dǎo)鄰近效應(yīng)，是潛在可擴(kuò)展的材料平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)的主要方法。這類研究在基礎(chǔ)科學(xué)和材料工程方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但也遇到了巨大挑戰(zhàn)。正如Fu和Kane所設(shè)想的，在拓?fù)浣^緣體（TI）和SC的混合系統(tǒng)中會(huì)發(fā)生拓?fù)涑瑢?dǎo)，其中自旋簡并的提升（拓?fù)涑瑢?dǎo)性的關(guān)鍵成分）已經(jīng)在拓?fù)浣^緣體的螺旋表面狀態(tài)中實(shí)現(xiàn)。STM研究報(bào)道了TI/SC異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的鄰近誘導(dǎo)超導(dǎo)性和Majorana零模特征。然而，創(chuàng)建高質(zhì)量、可擴(kuò)展平臺(tái)的困難仍然是進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的主要障礙。高質(zhì)量TI膜可以在大塊NbSe2上生長，但由于界面反應(yīng)，不會(huì)在諸如Al或Nb的金屬膜SC上形成清潔的異質(zhì)結(jié)。另外，防止TI膜的氧化是器件制造中的挑戰(zhàn)。輸運(yùn)研究，作為Majorana零模的一個(gè)主要的實(shí)驗(yàn)探針，在TI/SC異質(zhì)結(jié)構(gòu)中仍然受到限制。

研究成果

美國賓夕法尼亞州立大學(xué)Jun Zhu團(tuán)隊(duì)報(bào)道了高質(zhì)量（Bi，Sb）2Te3/石墨烯/鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長和性能，合成方法能夠在兩個(gè)異質(zhì)界面上形成原子級(jí)的尖銳層，促進(jìn)了鎵膜的鄰近誘導(dǎo)超導(dǎo)性。還開發(fā)了一種無光刻的范德瓦爾斯隧道結(jié)來探測其超導(dǎo)性能，發(fā)現(xiàn)在5-10個(gè)五層（Bi,?Sb）2Te3/Gr/Ga異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的狄拉克表面態(tài)中形成了一個(gè)堅(jiān)固的鄰近誘導(dǎo)超導(dǎo)間隙。并且，阿布里科索夫渦旋的存在，即Majorana零模的存在，表現(xiàn)為離散的電導(dǎo)變化。該研究為理解和利用拓?fù)涑瑢?dǎo)的應(yīng)用潛力提供了機(jī)會(huì)。

相關(guān)研究工作以“Proximity-induced superconductivity in epitaxial topological insulator/graphene/gallium heterostructures”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《Nature Materials》上。

研究內(nèi)容?

如圖1a所示，BST/Gr/Ga異質(zhì)結(jié)構(gòu)分兩步合成，使用限制異質(zhì)外延（CHet）在外延石墨烯/6H-SiC（0001）襯底上插入原子薄的2D Ga膜。Ga膜覆蓋晶片的90%，在SiC襯底的大部分階梯上均勻外延生長，并且主要由兩個(gè)原子層厚（2L）Ga組成，盡管1?L和3?L Ga也存在于晶片的一些區(qū)域中。2D Ga膜表現(xiàn)出超導(dǎo)性，轉(zhuǎn)變溫度約為3-4?K，高于塊狀α-Ga，這歸因于電子-聲子相互作用和Ga-K點(diǎn)附近的自由電子狀空穴。

研究者使用分子束外延（MBE）生長厚度和成分可控的（Bi,?Sb）2Te3。重要的是，外延石墨烯層充當(dāng)化學(xué)屏障，以防止Ga-（Bi, Sb）合金和Ga-Te化合物的形成，并由于其類似的晶格結(jié)構(gòu)而模板化BST的生長。如STEM（圖1b）所驗(yàn)證，這種方法在每個(gè)異質(zhì)界面處都會(huì)導(dǎo)致突然的原子級(jí)的急劇生長。此外，BST、外延石墨烯和Ga之間的晶格失配導(dǎo)致的應(yīng)變效應(yīng)可以忽略不計(jì)。研究者構(gòu)建了一個(gè)由石墨電極和1-2層六方氮化硼（h-BN）隧道勢壘組成的干凈范德瓦爾斯隧道結(jié)（圖1d），并將隧道結(jié)轉(zhuǎn)移到手套箱內(nèi)的BST/Gr/Ga膜（圖1c）。在將薄膜從手套箱中取出并使用光刻機(jī)加工成完整器件之前，活性區(qū)域由大的h-BN片封裝，以防止在去除膜之前氧化（圖1e）。

在生長的BST膜上進(jìn)行原位ARPES測量，以檢查膜質(zhì)量和費(fèi)米能級(jí)放置EF。圖2a顯示了5QL（Bi0.7Sb0.3）2Te3/Gr/Ga薄膜。Dirac表面態(tài)是尖銳的，是唯一跨越費(fèi)米能級(jí)的狀態(tài)，這滿足了拓?fù)涑瑢?dǎo)形成的前提條件。相同的化學(xué)成分和厚度下生長薄膜的ARPES能帶結(jié)構(gòu)在不同的試驗(yàn)中再現(xiàn)得很好。Dirac點(diǎn)位于能量（E-EF）=-205?meV，這大致是價(jià)帶最大值所在的位置。

由于外延石墨烯反應(yīng)勢壘，BST的生長非常好地保持了2L Ga膜的超導(dǎo)性。對(duì)一系列具有不同BST膜厚度的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了溫度和磁場相關(guān)的輸運(yùn)測量。金屬電極通過BST膜的偶爾空隙直接接觸Gr/Ga膜。結(jié)果一致顯示Ga膜的臨界溫度Tc為3-4.2?K，上臨界垂直場Hc2為50-80mT。樣品間Tc的變化可能是由不同數(shù)量的Ga層以及薄膜中超導(dǎo)弱連接的存在引起的。Hc2和T之間的線性關(guān)系證實(shí)了超導(dǎo)電性的2D性質(zhì)（圖2d）。與Al和Nb等其他元素超導(dǎo)體膜相比，異質(zhì)結(jié)構(gòu)膜的臨界電流密度Jc可以高達(dá)0.14?Aμm–2。

如圖3a所示，隧穿電流可以（1）隧穿到BST膜的表面狀態(tài)，然后通過分布式網(wǎng)絡(luò)流到漏極，或者（2）通過本體流到下面的Ga層；這使研究者能夠探測兩層的超導(dǎo)性。通過將范德華結(jié)應(yīng)用于Gr/Ga膜，驗(yàn)證了范德華結(jié)的有效性，所得的dI/dV與Vdc光譜如圖3b所示。如在掃描隧道光譜或點(diǎn)接觸光譜中觀察到的，零偏壓附近的V形下降和有限偏壓下的伴隨峰值都是超導(dǎo)間隙的特征。

圖3c可觀察到接近零直流偏壓的熟悉的V形下降，在高偏壓下，不是一個(gè)而是兩個(gè)高電導(dǎo)峰。下沉和隆起都隨著溫度的升高而減弱，并在4 K以上完全消失，?對(duì)應(yīng)于在輸運(yùn)研究中該膜的Tc。使用雙間隙BTK模型對(duì)數(shù)據(jù)擬合如圖3d所示，從中獲得了兩個(gè)間隙ΔS=0.19?meV和ΔI=0.5?meV。在其他溫度下的類似擬合，所得ΔS（T）和ΔI（T）如圖3e所示，共同Tc為4.0 K。這些結(jié)果表明，ΔI源自Ga膜的SC間隙，而ΔS由鄰近效應(yīng)引起。在膜02T-5QL上制作的四個(gè)隧道結(jié)上觀察到鄰近誘導(dǎo)的SC間隙（圖3f），分析得出ΔS/ΔI在37±4%至46±5%，與之前對(duì)Bi2Se3/NbSe2、Bi2Te3/NbSe2和Bi2Se3/Nb進(jìn)行的研究一致。在03T-10QL BST/Gr/Ga薄膜上構(gòu)建的兩個(gè)隧道結(jié)進(jìn)行了類似分析，得到ΔS/ΔI在34±4%至42±2%。證明了TI膜Dirac表面態(tài)中鄰近誘導(dǎo)超導(dǎo)的堅(jiān)固性。

此外，研究者展示了由于阿布里科索夫渦流的存在而導(dǎo)致的隧道電導(dǎo)變化，阿布里科索夫渦流將Majorana零模定位在拓?fù)涑瑢?dǎo)體中。渦流在其核心處是正常的，其在隧道區(qū)域A中的存在將零偏置隧道電導(dǎo)提高了一定量Gsv（圖4的上插圖）。圖4描繪了03T-10QL裝置上測得的零偏置dI/dV與B⊥的關(guān)系，數(shù)據(jù)總趨勢與方程ΔG/ΔB⊥=A×Gsv/Φ0一致，但電導(dǎo)隨B⊥的變化并不總是單調(diào)的，并且兩個(gè)場掃描方向顯示出相當(dāng)大的滯后，表明渦流被捕獲。還可觀察到電導(dǎo)在Gsv的多個(gè)整數(shù)中跳躍，表明多個(gè)渦旋以束的形式一起移動(dòng)。當(dāng)磁渦流從隧道區(qū)域出現(xiàn)或消失時(shí)，在NbSe2的傳輸隧道譜中觀察到類似的電導(dǎo)跳躍。圖4的下插圖顯示了ΔG=1 Gsv和ΔG=2 Gsv。這些結(jié)果表明，輸運(yùn)隧穿光譜為渦流動(dòng)力學(xué)提供了一個(gè)有價(jià)值的探針，可以與Josephson結(jié)中的電流-相位研究一起進(jìn)行，以檢查拓?fù)湎嘧兒蚆ajorana零模。這些方向?qū)⒃谖磥淼难芯恐刑剿鳌?br>

結(jié)論與展望

該研究展示了（Bi,?Sb）2Te3/Gr/Ga薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長和性能，這是一個(gè)潛在的可擴(kuò)展平臺(tái)，可用于實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)。利用范德瓦爾斯隧道結(jié)和傳輸隧道光譜，證明了MBE生長的（Bi, Sb）2Te3/Gr/Ga膜的Dirac表面態(tài)中存在強(qiáng)烈的鄰近誘導(dǎo)超導(dǎo)間隙的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并探測了隧道傳導(dǎo)中存在的阿布里科索夫渦流，直至單個(gè)渦流。研究者結(jié)合限制異質(zhì)外延和MBE的合成方法，為研究新型超導(dǎo)和磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)打開了大門。需要更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)和持續(xù)的努力來提高異質(zhì)結(jié)構(gòu)膜的質(zhì)量和均勻性，以促進(jìn)拓?fù)涑瑢?dǎo)的基本理解和潛在應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01478-4.