超导邻近效应（SPE）可以在邻近超导体的非超导薄膜中诱导出超导转变，并且通常随着非超导薄膜的厚度增加而呈指数级衰减。近日，固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心的邢钟文教授（电子学院）和李绍春教授（物理学院）等合作，在拓扑绝缘体/超导体异质结构中揭示了一种反常的超长程超导邻近效应。令人惊讶的是，随着拓扑绝缘体薄膜厚度的增加，这种反常的超导邻近效应衰减很慢，甚至在微米厚的拓扑绝缘体表面仍然可以观测到超导转变。这种反常的行为主要归因于拓扑绝缘体的拓扑表面态在表面上形成了连续的传导回路。这一研究将有助于加深理解拓扑表面态在超导邻近效应中的重要作用。
结合电输运和扫描隧道显微谱学测量，研究团队对Bi₂Se₃/FeSe_0.5Te_0.5异质结构中的超导邻近效应进行了探索，其中Bi₂Se₃是理想的三维拓扑绝缘体，FeSe_0.5Te_0.5是典型的铁基超导体。当Bi₂Se₃薄膜的厚度超过400纳米时，在其表面仍然可以观测到超导邻近效应诱导的超导转变，且超导转变温度（Tc）大于10 K，如图1所示。这一结果表明Bi₂Se₃薄膜中存在超长程的超导邻近效应，这种反常现象很可能与三维拓扑绝缘体的拓扑性质有关。在拓扑绝缘体中存在两种机制可以诱导超导邻近效应：一种是通过体效应，随着厚度变化；另一种是通过闭合的拓扑表面态，它对厚度的变化不敏感，取决于拓扑表面态的鲁棒性。对于较薄的Bi₂Se₃薄膜，二者同时对超导邻近效应起作用；而对于较厚的Bi₂Se₃薄膜，则仅有后者贡献。作为三维拓扑绝缘体，Bi₂Se₃的拓扑表面态可以在表面形成闭合传导回路。因此超长程的超导邻近效应主要归因于Bi₂Se₃的拓扑表面态的鲁棒性，并不十分依赖于薄膜的厚度。研究结果显示，这样的厚度可以比常规导体的相干长度要长很多。

图1.（a）Bi₂Se₃/FST/TiO₂/STO薄膜异质结构的示意图，（b）Bi₂Se₃/FST异质结构中不同Bi₂Se₃薄膜厚度的电阻率与温度曲线。
为了进一步验证超导邻近效应诱导的超导转变确实是由表面态引起，我们对Bi₂Se₃薄膜的最顶端表面进行了扫描隧道显微谱学表征，如图2所示。对超导能隙的谱学表征结果和图1所示的电输运测量结果一致，表明超导转变确实发生在Bi₂Se₃薄膜的上表面。这种由拓扑表面态导致的超长程反常超导邻近效应在过去的研究中从未被报道过，可以助力探索可能的拓扑超导体，更深层次的机理有待进一步研究完善。

图2. Bi₂Se₃/FST异质结构的STS表征。(a) 不同厚度的Bi₂Se₃/FST异质结构的归一化dI/dV光谱。(b) 异质结构的原始dI/dV光谱在不同磁场下的演变。(c) 漂移校正后的dI/dV光谱的温度依赖性。(b)和(c)中Bi₂Se₃薄膜的厚度为20nm。U = +10 mV，It = 200 pA，Umod = 0.2 mV。
相关成果于12月27日在线发表于材料科学顶级期刊Advanced Materials （doi: 10.1002/adma.202107799）。该工作是在邢定钰院士的指导下，由电子学院邢钟文教授研究组和物理学院李绍春教授研究组合作完成。南京大学是第一作者单位和第一通讯作者单位，南京大学现代工学院的博士研究生张亚林和物理学院的博士研究生赵伟民是文章的共同第一作者，邢钟文教授和李绍春教授是文章的共同通讯作者。现代工程学院王鹏教授在透射电镜表征方面提供了重要支持。该工作得到国家自然科学基金委、国家重点研发计划等项目以及人工微结构科学与技术协同创新中心的支持，在此表示感谢。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107799