中大新聞網訊（通訊員明方飛）中山大學電子與信息工程學院（微電子學院）明方飛副教授與南方科技大學王克東課題組、美國田納西大學Weitering課題組等合作，在硅基拓撲超導研究方面取得重要進展，相關成果以“Evidence for chiral superconductivity on a silicon surface”為題，近期以封面文章形式發表于物理學頂級刊物Nature Physics，如圖1。明方飛副教授為該論文的第一作者，中山大學為第一完成單位。
圖1：Nature Physics雜志2023年4月期封面，展示的是超導的硅111表面稀疏晶格的準粒子散射圖，中間的六角星結構是區分系統具有手性拓撲超導的關鍵證據之一。
超導體可以在沒有電阻或能量耗散的情況下傳導電流，被廣泛地用于產生強磁場，服務于科學設施、醫學成像以及高速軌道交通等領域，同時在降低器件功耗方面被寄予厚望。隨著電子信息技術的發展，超導體被賦予了更重要的功能——制備量子比特和量子計算機。硅是當前電子信息產業的基礎材料，但在未來新型電子器件的研究中它常被當作“傳統”或“被替代”材料，部分原因是人們認為在具有弱互相作用的sp電子體系中難以實現新穎量子效應。
研究團隊通過巧妙設計硅表面的二維結構和摻雜方法，實現了硅基非傳統超導。所制備的系統如圖2所示：在Si(111)的終止表面引入1/3單層、同為四價的錫原子形成稀疏三角晶格，實現具有強關聯電子性的二維結構；進一步通過將硼元素置于亞表層并規則排列，實現了對稀疏晶格的高濃度且無損的空穴摻雜。摻雜后結構由摩特絕緣體轉變為超導體，同時超導強度也顯著的隨摻雜濃度變化。盡管其超導溫度（≤9 K）仍顯著低于液氮溫度(77 K)，但其超導物理特性與高溫超導是非常類似的，屬于非傳統超導。
另一方面，這一硅基二維晶格具有三重對稱性，其超導最低能態可由兩種不同的d波序參量疊加而成，而根據疊加方式不同呈現不同的手性特征，即手性d波超導態。研究團隊利用掃描隧道顯微鏡在超低溫和磁場條件下對超導特性進行高精度的測量，獲得了手性d波超導的有力證據。這是一種人們渴望實現的新穎拓撲物態，具有制備量子比特和實現量子計算方面潛力，而在硅系統中實現此物態將可能幫助量子技術走向大規模應用。
圖2：硅（111）表面1/3單層的錫原子構成的稀疏三角晶格結構：Sn/Si(111)-(?3×?3)R30o。STM圖像顯示這一結構在摻雜后仍高度均勻。相圖顯示類似于銅氧化物高溫超導體的特性：通過摻雜摩特絕緣體獲得超導性。
