证实“分段费米面”预言，这项成果入选中国科学年度十大进展

“分段费米面”示意图。上海交通大学 供图

近日，一项超导态“分段费米面”相关的研究成果，入选2022年度“中国科学十大进展”。成果揭示的独特现象，或可应用于超导计算机的构建，助力无能耗高效计算的实现。

4月12日，上海交通大学贾金锋、郑浩团队 “实验证实超导态‘分段费米面’”科研成果新闻发布会在徐汇校区召开，该成果于3月17日入选2022年度“中国科学十大进展”，是上海交通大学时隔十一年再次入选中国科学十大进展。

上海交大物理与天文学院教授、李政道研究所平台建设学者郑浩代表团队对研究成果作了介绍。他详细介绍了超导态“分段费米面”的物理背景、实验过程、研究结果和学术价值。强调将拓扑绝缘体表面态费米速度大的优势，跨领域的应用到超导研究中来，是解决问题的关键。

什么是费米面？这要从导体和绝缘体的区别说起。固体物理学的研究发现，固体材料会有一种叫“能带”的固有性质，固体里的电子会按照能量从低到高的方式填充能带。导体中的能带没有被填满（半满能带），而绝缘体的能带都是被填满的（全满能带）。就像一瓶半满的水能看到水面一样，一个半满的能带也能观测到“电子面”，在物理术语中，称之为“费米面”。

具体来说，在固体能带中，能量低于费米面的态都被电子填充，高于费米面的态都被空置。所以，一个固体材料有没有费米面会决定它很多物理性质，包括是否导电，是否透光等等。

1911年，超导现象被发现，引发了物理学家们前赴后继的研究。“我们的手机、电脑用的时间长了会变热，这是因为普通导体有电阻，所以在导电的同时会发热。超导体的神奇之处在于它没有电阻，导电的时候不发热。我们现在用的高压输电线是普通导体，电从发电厂传输到我们家里的过程中，很大一部分电能因为导线发热被浪费掉了，如果换成超导输电能够节省大量的能源。”科研团队介绍。

大量研究表明，超导体虽然导电（而且是零电阻导电），但是却没有费米面。因为超导体中承担导电任务的不是单个电子，而是两个电子组成的库伯对。1965年德国物理学家Peter Fulde理论预言，让超导体中库珀对动起来，如果速度足够快，就有可能在原本没有费米面的超导体中产生出一种特殊的“分段费米面”。然而，对多数单一超导材料中，库珀对速度太大会直接破坏超导态。实现“分段费米面”在实验上十分困难，虽然一直有人尝试，但未能取得突破。

此番，上海交通大学贾金锋、郑浩团队与麻省理工学院傅亮团队合作，设计制备了拓扑绝缘体/超导体（Bi2Te3/NbSe2）异质结体系，借助超导近邻效应在Bi2Te3中诱导出超导，得益于Bi2Te3拓扑表面态的费米速度极高的独特优势，只需要很小的库伯对速度，就实现并观察到了预言中的“分段费米面”。

研究表明，拥有“分段费米面”的超导体，可以实现正向零电阻导电，反向非零电阻导电的独特现象（约瑟夫森二极管效应），可以用来构建超导计算机，实现无能耗的高效计算。另外，还可以为例如有限动量超导、库伯对密度波等很多具有重要物理学理论研究价值的课题提供关键的研究载体。

中国科学院院士、上海交通大学物理与天文学院教授、李政道研究所拓扑量子计算实验平台负责人贾金锋表示，该项成果是上海交大物理与天文学院团队多年工作的积累和延续，2012年团队制备出了拓扑绝缘体/超导体异质结，证明了该体系为拓扑超导，并在其中观察到了人们长期追求的马约拉纳零能模。这次的成果是在该体系中发现的新现象，是对该体系持续不断研究的最佳回报。

郑浩介绍，未来，他们将会以具有“分段费米面”的超导体为平台，探索构筑新型拓扑超导态和实现超导二极管效应等重要物理效应的可能性。