近日，中科院合肥研究院強(qiáng)磁場(chǎng)中心關(guān)于鐵基超導(dǎo)Fe(Te,Se)中晶格疇壁缺陷束縛態(tài)的研究取得重要進(jìn)展，研究成果發(fā)表在國(guó)際知名期刊Physical Review Letters上。本研究工作由中科院合肥研究院強(qiáng)磁場(chǎng)中心郝寧研究員與北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所張平研究員合作完成，第一作者是由郝寧研究員指導(dǎo)、強(qiáng)磁場(chǎng)中心聯(lián)合培養(yǎng)的北京大學(xué)博士研究生宋銳。

　　自2014年理論上指出由于具有多軌道的特征，鐵基超導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)在某些條件下也可以具有類似于拓?fù)浣^緣體中能帶拓?fù)涮匦砸詠?lái)，關(guān)于鐵基超導(dǎo)拓?fù)湮飸B(tài)的后續(xù)理論與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展迅速。最近幾年，實(shí)驗(yàn)上通過(guò)測(cè)量具有拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)的鐵基超導(dǎo)體中拓?fù)淙毕荩▎伍g隙鐵雜質(zhì)、線缺陷和磁通渦旋等）對(duì)超導(dǎo)態(tài)響應(yīng)有新的進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)這些拓?fù)淙毕菟`的準(zhǔn)粒子特性表現(xiàn)出類似于馬約拉納準(zhǔn)粒子的特征。結(jié)合鐵基超導(dǎo)中拓?fù)湮飸B(tài)理論，一種很可能的理解就是這些鐵基超導(dǎo)體系中存在二維表面或一維邊界拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)，拓?fù)淙毕菘梢允`馬約拉納準(zhǔn)粒子。然而，不同實(shí)驗(yàn)組的測(cè)量表明：雜質(zhì)、線缺陷和磁通渦旋對(duì)超導(dǎo)態(tài)的響應(yīng)表現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性，尚未達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果理解的共識(shí)性。

　　本研究針對(duì)近來(lái)實(shí)驗(yàn)上報(bào)道的Fe(Te,Se)中的晶格位錯(cuò)導(dǎo)致的一維疇壁（一種線缺陷）的超導(dǎo)準(zhǔn)粒子束縛態(tài)進(jìn)行了理論研究。研究發(fā)現(xiàn)，晶格疇壁的構(gòu)型及其鐵磁基態(tài)對(duì)形成具有線性色散的一維馬約拉納準(zhǔn)粒子具有關(guān)鍵作用，可以解釋實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的晶格疇壁STM成像特征以及近常數(shù)態(tài)密度的STS譜。以此為基礎(chǔ)，提出了通過(guò)操控晶格疇壁的鐵磁性來(lái)實(shí)現(xiàn)馬約拉納零模的產(chǎn)生與融合，并進(jìn)一步提出理論方案來(lái)實(shí)現(xiàn)馬約拉納零模的編織操作以期對(duì)其非阿貝爾統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的證明提供新思路。

　　具體而言，該工作首先通過(guò)第一性原理建模并計(jì)算了Fe(Te,Se)中多種可能的晶格位錯(cuò)導(dǎo)致的晶格疇壁構(gòu)型，通過(guò)理論模擬STM圖像，發(fā)現(xiàn)只有一種晶格疇壁構(gòu)型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致（圖1(a)-(d)），其重要特征包含兩點(diǎn)：其一是其疇壁取向與晶格位錯(cuò)方向成45°角（圖1(a)-(d)），其二是由于疇壁處下層的Fe-Te/Se鍵斷裂導(dǎo)致疇壁會(huì)形成隆起的結(jié)構(gòu)（圖1(c)-(d)）。進(jìn)一步的計(jì)算表明由于晶格疇壁處Fe的3d電子局域性增強(qiáng)，其會(huì)形成沿著疇壁走向的面內(nèi)鐵磁性（圖1(e)）。以此為基礎(chǔ)，提出了一個(gè)界面拓?fù)涑瑢?dǎo)-鐵磁-界面拓?fù)涑瑢?dǎo)的有效模型（圖2 (a)），其物理圖像是Cooper對(duì)電子通過(guò)鐵磁層被散射后，鐵磁層會(huì)對(duì)超導(dǎo)序參量貢獻(xiàn)一個(gè)額外的相位，相位的大小與鐵磁層的寬度和有效交換場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，可以類比于FFLO的超導(dǎo)態(tài)（圖2 (b)）。通過(guò)具體求解這個(gè)有效模型發(fā)現(xiàn)當(dāng)相位嚴(yán)格等于pi時(shí)可以得到線性色散的一維馬約拉納準(zhǔn)粒子，考慮可能的相位偏差情況，可以解釋實(shí)驗(yàn)上隧道譜的細(xì)微變化（圖2 (c)）。此外，本研究還預(yù)測(cè)了一種界面相位電池效應(yīng)（圖2 (d)）。在此基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)操控鐵磁層的磁矩的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)馬約拉納零模的產(chǎn)生與融合（圖3 (a)-(c)），理論上提出一種方案來(lái)構(gòu)筑一種超導(dǎo)鐵磁環(huán)路結(jié)構(gòu)（圖3 (d)-(e)），通過(guò)調(diào)節(jié)超導(dǎo)的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)四個(gè)馬約拉納零摸的編織操作（圖3 (f)-(g)），并通過(guò)一種利用AB效應(yīng)的干涉電路來(lái)讀出相應(yīng)的編織結(jié)果（圖3 (h)-(i)），以期為證明馬約拉納零模的非阿貝爾統(tǒng)計(jì)性質(zhì)提供新思路。

　　本研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院項(xiàng)目、強(qiáng)磁場(chǎng)安徽省實(shí)驗(yàn)室方向基金以及合肥大科學(xué)中心項(xiàng)目的支持。

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.016402 

　　圖1：(a)-(c) Fe(Te,Se)的俯視和側(cè)視圖，灰色區(qū)域是晶格疇壁區(qū)，(a)和(b)表示疇壁處的鐵原子具有AFM和FM序；(d) 理論模擬的STM圖像，晶格疇壁與晶格位錯(cuò)方向成45°角；(e) 疇壁的磁基態(tài)能隨關(guān)聯(lián)的變化以及鐵的有效磁矩

　　圖2：(a) 有效模型，(b) Cooper對(duì)的散射由于鐵磁作用導(dǎo)致其超導(dǎo)序參量獲得額外相位，(c) 考慮相位漲落與自能效應(yīng)的STS譜， (d) 相位電池效應(yīng)導(dǎo)致非零的隧穿電流

　　圖3：(a)-(e) 用來(lái)產(chǎn)生、融合和編織馬約拉納零模的示意圖，(f) 對(duì)應(yīng)(d)中環(huán)路的超導(dǎo)相位差以及鐵磁引起的相位分布，(g) 絕熱編織操作，(h)-(i) 基于AB效應(yīng)的干涉電路及其電導(dǎo)振蕩