PLD Commentary (江南物语):
你丫超导,我压超导


有人说,超导是凝聚态的牛耳,做超导的人就是凝聚态的执牛耳者。如果我们知道交谈的对家是做高温超导的,很多时候都会景仰之心油然而生,情不自禁,即便他可能其貌不扬。大凡如此,皆是因为高温超导物理链接了凝聚态物理的若干主轴,从而在推动凝聚态物理的发展深化进程中居功至伟。因此,一篇成果如果是关于高温超导的,就立马有了调戏高大上的及格线。

不过,当今的超导物理远不止于此,又有了新的故事。众所周知,强自旋-轨道耦合SOC可能引致量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应。而一些强SOC绝缘体因为自由表面导致的对称性破缺诱发了特殊的表面态,其中之一便是拓扑绝缘体态,其体态具有一定能隙但表面态无能隙且色散关系呈现线性,预示了所谓的具有时间反演对称保护的高迁移率“金属态”。由于超导态对应于电子配对的“能隙”,因此很容易引起那些凝聚态高手们合纵连横,这就有了拓扑超导态。拓扑超导的一个吸引人之处在于拓扑表面态和超导两种量子特性并存,给那些捣鼓应用前景的好梦者以恣意激情的动力(如图1)。而更吸引人之处在于场论的一个预言:Majorana费米子。


图1. 拓扑绝缘体特性与潜在应用的示意图 (from Nano Lett. 14, 3779 (2014))。电子结构特征和表面态输运特性一览无遗。

Majorana费米子的登场牵涉到物理学的终极学问。物理学认定物质与反物质的C对称性。宇宙中,一种粒子一定存在另一种特定物性相反的粒子,以电子和正电子的发现而引人入胜。宇宙大爆炸之所以形成如今的星际形态,皆因物质反物质发生对称性破缺(这可是场论者为数很少的从凝聚态物理学去的概念)使得正物质比反物质多个千百万分之一所致。Majorana费米子是一种虚拟的物质和反物质特性等价的准粒子,好像是一种既是男性也女性或者男性等于女性的意思,其奇妙之处非我等可以体会。最近贾金锋他们就似乎看到了拓扑超导中这种费米子的证据。这可是一个很伟岸的成果,从而更加强烈地撬动了高温超导高手们追求新型拓扑超导态的“痴心妄想”。复旦大学的李世燕即为其中之一员。


图2. (左) Majorna费米子的简单图示 (http://www.51wendang.com/)。(右) 贾金锋面对一堆Majorana费米子侃侃而谈。看得出老贾还是有点紧张,毕竟他也比较少面对这些Majorana费米子。

拓扑绝缘体的故事在表面态,而最近热浪滚滚的新拓扑量子体态应该算3D狄拉克半金属态和外尔半金属态,它们的电子结构与拓扑绝缘体的表面态类似。李世燕们想:你丫铜氧化物超导、铁砷化合物超导、如今拓扑绝缘体加点掺杂加点应变也超导,那么我3D狄拉克半金属或者外尔半金属能不能也超导?这个动机很单纯,没有什么坏心眼隐藏其中。已经有不少理论预言说这样可以的,加点载流子掺杂就可能诱导3D狄拉克半金属出现电子配对能隙,呈现超导态。遗憾的是这个预言到现在也没有实现。李世燕们可能是觉得做掺杂诱导超导比较“麻烦”,就猜测对某种3D狄拉克半金属施加压力,是不是也可以实现超导转变?他们就想当然地选择了已经被证明是狄拉克半金属的Cd3As2这个体系试了试。好像挺容易的样子,他们就压出了超导,附带一些伴随的结构相变信息。当然,这其中艰辛和挑战我们外人无从知晓,但李世燕的合作者靳常青们最能体会。其实,也不尽然,吃苦的应该是李世燕们,因为靳常青们经常用他那个大家伙压出各种新奇的东西(比如立方的BaRuO3和那个出了名的新铁基超导体系)。


图3. (左) 李世燕给出的狄拉克半金属Cd3As2相图,显示出虽天下大乱但大抵三分已定,超导占了东南富饶之地。(右) 复旦世燕、北大王健,获颁2015马丁-伍德爵士中国物理科学奖。

看君如果有兴趣,就移步李世燕在9月23日在线发表的大作“Pressure-induced superconductivity in the three-dimensional topological Dirac semimetal Cd3As2 (http://www.nature.com/articles/npjquantmats201614)。