新研究實現硅基非傳統超導

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近日，中山大學電子與信息工程學院（微電子學院）副教授明方飛與南方科技大學副教授王克東團隊、美國田納西大學教授Weitering團隊等合作，在硅基拓撲超導研究方面取得重要進展。相關研究成果以封面文章的形式發表于Nature Physics。明方飛為該論文的第一作者，中山大學為第一完成單位。

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當期期刊封面。研究團隊 供圖

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。其所制備的系統，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。

此外，該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。