清华物理系研究团队在新型的过渡金属硫族化合物2M-WS₂中发现马约拉纳束缚态

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清华新闻网7月11日电 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，清华大学物理系李渭副教授、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，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。该研究成果以“2M相WS₂中各向异性的马约拉纳束缚态的证据”(Evidence of anisotropic Majorana bound states in 2M-WS₂) 为题在线发表于7月8日的《自然·物理》(Nature Physics)上。

2M-WS₂磁通中的马约拉纳束缚态
理论预言，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：超导转变温度较低，需要极端的实验观测条件；需要在材料中进行元素掺杂，以实现拓扑或超导性质。但元素掺杂会带来额外的缺陷，不利于实际应用，寻找更纯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，该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。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《先进材料》(Advance Materials)上。
清华大学物理系2015级博士生袁永浩与中科院上海硅酸盐研究所的博士生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、北京市优秀人才青年拔尖项目等的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41567-019-0576-7
供稿：物理系
编辑：李华山
审核：周襄楠

2019年07月11日 15:59:17　　清华新闻网