近日，南方科技大学物理系教学教授王克东课题组与合作团队在手性超导研究中取得进展，相关成果以“Evidence for chiral superconductivity on a silicon surface”为题发表在期刊Nature Physics上。

手性超导属于非传统超导，具有时间反演对称性破缺的特征；另外，作为一种本征的拓扑超导体，它具有应用于拓扑量子计算的潜力，因此手性超导成为研究者追寻的一种新颖物相。尽管当前已经存在多种候选材料，手性超导的存在性仍未得到一致的验证。而同时，具有三角晶格和强关联电子特征的二维体系被认为是实现手性d波超导的理想平台。

三分之一层锡原子覆盖的Si(111)表面形成三角晶格√3×√3结构，每个锡原子位置上有一个半填充的悬挂键，具有较强的在位库仑排斥作用。本征的锡√3×√3结构具有反铁磁Mott绝缘基态，而王克东教授与合作团队前期的工作（Phys. Rev. Lett. 125, 117001 (2020)）发现经空穴掺杂的锡√3×√3结构可以实现从Mott绝缘态到超导态的转变，这非常类似于铜氧化物高温超导体的特征。在近期的工作中，该团队利用扫描隧道显微术、扫描隧道谱和准粒子干涉成像等方法对空穴掺杂锡√3×√3体系的超导序参量对称性进行了系统性研究。他们发现该体系的超导态强烈依赖于空穴掺杂浓度，研究人员在实验中实现了约9.0 K的超导转变温度，这远高于其它已被报道的潜在手性超导体系。在此基础上，他们通过对超导隧道谱、缺陷散射行为和边缘态的实验和理论研究表明，空穴掺杂锡√3×√3结构具有完全打开的超导能隙，存在时间反演对称性破缺，并且在超导畴边界附近具有零偏压电导增强。这些证据强烈预示空穴掺杂锡√3×√3结构是一种非常规的手性d波超导体。研究人员从硅基系统实现拓扑超导的工作为拓扑超导的基础研究和未来器件的应用提供了便利。这一成果也表明半导体表面二维结构是研究物质强关联性质的理想实验平台。

图1: 锡√3×√3超导态的STM实验结果。 (a)Si(111)表面锡√3×√3结构模型; (b) 悬挂键主导的费米面附近表面能带; (c) 空穴掺杂诱导的费米面附近准粒子峰和电子态转变; (d) Si(111)表面锡√3×√3结构STM图像; (e)三种不同空穴掺杂浓度表面的扫描隧道谱，显示了掺杂对超导态强度的调控作用;  (f) 超导隧道谱随温度的变化关系，超导态随温度升高逐渐消失。

图2. 实验获得的0偏压准粒子干涉图像（0.4K, 5T）

中山大学明方飞副教授和南方科技大学物理系研究学者吴雪峰博士为论文共同第一作者。南方科技大学物理系王克东教授、美国田纳西大学Steve Johnston教授和Hanno H. Weitering教授为论文通讯作者。南方科技大学和美国田纳西大学为论文通讯单位。本课题的开展得到了广东省自然科学基金和国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01889-1