拓撲超導體是一類性質奇特的超導體。與普通超導體相同，其在超導溫度下表現零電阻現象，超導的電子會打開一個能量間隙從而獲取更低的能量；另一方面，由於非平庸拓撲性質的保護，拓撲超導體的邊界存在無能隙的金屬態，其准粒子元激發為馬約納拉費米子。馬約納拉費米子為其自身的反粒子，服從非阿貝爾統計，故可用作拓撲超導計算比特。囙此，拓撲超導體被認為是實現容錯拓撲量子電腦的理想資料。
近日，上海科技大學物質學院陳宇林-柳仲楷課題組在新型拓撲超導材料研究中取得重要進展：在具有化學配比的層狀過渡金屬硫化物2M-WS2中觀測到拓撲表面態，並在超導轉變溫度以下觀察到各向同性的超導能隙，從而首次在實驗中證實其具有本征拓撲超導電子態。該成果現時以“Observation of topological superconductivity in a stoichiometric transition metal dichalcogenide 2M-WS2”為題，於5月17日在權威學術期刊Nature Communications上線上發表。
拓撲超導材料是近年凝聚態物理的研究前沿領域。拓撲超導體的邊界或磁通渦旋中蘊含馬約納拉費米子。作為研究此種非平凡准粒子的平臺，拓撲超導體對於基礎物理研究具有深刻的內涵，對於高容錯性拓撲量子計算也具有深遠的應用潜力。當前，已知拓撲超導材料具有超導轉變溫度低、樣品組分不均勻或者生長製備工藝複雜等各類問題。囙此，尋找具有化學組分均勻、超導轉變溫度高、易製備處理等優良性質的拓撲超導材料，成為了該領域的研究重點。
上海科技大學陳宇林-柳仲楷課題組長期對拓撲量子資料展開廣泛深入的研究，在新型拓撲超導材料的攻關中取得一系列成果。在本研究中，陳宇林-柳仲楷課題組利用基於先進的同步輻射光源和上科大實驗室高能量分辯率深紫外雷射的角分辨光電子能譜科技，對高品質2M-WS2能帶結構進行了系統的研究。實驗首次觀察到帶反轉結構及具有各向異性的狄拉克型拓撲表面態，其結果與第一性原理計算完美吻合。在超導溫度以下，實驗發現體態和表面態均打開能量尺度相近且各向同性的超導能隙，證實了該體系中基於體-表面自近鄰效應的拓撲超導性。此項發現是拓撲超導領域研究的重要進展，2M-WS2亦是首個被實驗證實的過渡金屬硫化物族拓撲超導材料，且具有該家族中最高的常壓超導轉變溫度。
此項工作由上海科技大學、牛津大學、清華大學、南京大學、中科院上海矽酸鹽研究所等組織科研團隊合作完成。上海科技大學物質學院博士後李一葦、2019級博士研究生鄭慧君、南京大學博士研究生張冬芹和中科院上海矽酸鹽研究所博士後方裕强為共同第一作者，上海科技大學物質學院特聘教授陳宇林、助理教授柳仲楷與清華大學副教授楊樂仙、中科院矽酸鹽研究所研究員黃富强、南京大學教授張海軍為通訊作者。上海科技大學為第一完成單位。該研究得到了國家重點研發計畫、國家自然科學基金委、博士後國際交流計畫引進項目等項目基金的大力支持。
文章連結：https://doi.org/10.1038/s41467-021-23076-1
圖：本征拓撲超導材料2M-WS2電子結構。（a）體-表面自近鄰效應拓撲超導示意圖。（b）2M-WS2正常態（左）與超導態的能帶結構示意圖。（c）費米麵與能帶結構的角分辨光電子譜三維展示。（d）拓撲表面態能帶色散的理論計算（左）和實驗結果（右）比較。（e）拓撲表面態和體態的超導能隙隨溫度的演化。（f）各向同性的超導能隙。
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