□ 郑 浩 贾金锋

    超导是一个经久不衰的研究方向，研究者曾取得一些重要科学进展，并多次获得诺贝尔奖。然而，经过100多年的研究，该领域仍然还存在若干“硬骨头”问题。大量研究表明：普通超导体没有费米面。“能否在超导体中人工调控出费米面”，具有重要的学术价值。

    1965年，德国物理学家福尔德理论预测，在超导体中施加超电流，可以让超导体中的库伯对运动起来。当其动量足够大时，沿超电流方向能够关闭超导能隙并产生准粒子态。后来进一步研究发现，这些准粒子态实际上占据了正常态费米面的一部分，从而形成了一种特殊的“分段费米面”。

    固体物理告诉我们，费米面对材料的电学、光学等多种物理性质都有决定性的影响。例如，金属具有费米面，所以导电，而绝缘体没有费米面，所以不导电。因此，如果能够在原本没有费米面的超导体中人工调控出费米面，那将会给超导体的物性带来明显改变。遗憾的是，虽然前人进行了多方面的实验探索，但是超导体“分段费米面”一直没能实现。

    我们的课题组在全面分析后认为：在普通超导体中，产生“分段费米面”所需的超电流通常接近甚至大于超导临界电流，容易令超导体失超。为了解决这个问题，课题组设计制备了拓扑绝缘体和超导异质结体系。借助二硒化铌（NbSe_2）的近邻效应在三碲化二铋（Bi_2Te_3）中诱导出超导。且三碲化二铋的拓扑狄拉克表面态中的费米速度比二硒化铌的费米速度要高一个数量级。因此，在相同的超电流强度下，三碲化二铋中的库伯对相对于二硒化铌更容易破裂，这样就有机会利用较小的超电流，在保持二硒化铌超导状态的前提下，破坏三碲化二铋拓扑表面态中的库伯对，从而产生出“分段费米面”。

    课题组首先在超高真空中解理了二硒化铌样品，以产生清洁、平整的表面，之后使用分子束外延在二硒化铌上面生长了4层的三碲化二铋单晶薄膜。在零磁场下，使用扫描隧道显微镜在三碲化二铋上观测到费米能级附近存在一个明显的U型超导能隙，大小为0.5毫电子伏，证明了三碲化二铋和二硒化铌异质结的确是没有费米面的普通超导体。

    课题组利用面内磁场来产生超电流，考虑到三碲化二铋表面态具有较强的各向异性，分别沿着两个不同的高对称方向施加了磁场。只需要施加极其微弱的磁场，微分电导谱观测到，样品的超导能隙内部出现了明显的准粒子态信号。最终在40毫特斯拉的磁场下，准粒子态出现在费米能级处。

    为了探测到“分段费米面”，课题组使用了微分谱图技术，在实空间中得到准粒子态的图像，并通过傅里叶变换得到这些准粒子态在倒空间的图像。所有的数据都表明，超电流不仅令三碲化二铋和二硒化铌产生了特性的准粒子态，在倒空间形成有序的结构，而且从外形来看等价于三碲化二铋正常态费米面的一些片段，因此可以被确定为“分段费米面”。

    美国麻省理工学院傅亮团队，通过理论模拟，得到了与实验数据符合得非常好的结果。因此，课题组确定性地证明了可以在原本没有费米面的超导体中人工调控出“分段费米面”。2021年12月10日，实验结果在《科学》期刊上发表。

    此项工作首次在实验上观察到50年前理论预言的“分段费米面”，并发现可以用磁场方向和大小来调节这个费米面的形状和大小，开创了调控物态、构建拓扑超导的新方法。

    （第一作者系上海交通大学教授，第二作者系上海交通大学教授、中国科学院院士）