超導體中分段費米面的發現

超導是物理學中一個長盛不衰的研究課題。超導體具有零電阻和完全抗磁性等奇特性質，同時具有重要的實際應用價值。當超導體進入超導態后，費米能級處產生能隙，所以不存在費米面。1965年，理論物理學家預言當超導體中庫珀對動量足夠大時，可以在超導能隙中產生準粒子，從而形成一種特殊的分段費米面。但由于傳統超導體庫珀對動量大到產生準粒子時，庫珀對也會破裂而失去超導，該預言在過去50多年都沒有被實驗證實。

我們利用極低溫矢量磁場磁場掃描隧道顯微鏡研究了拓撲絕緣體/超導體異質結中的分段費米面。通過分子束外延技術，在超導體NbSe₂表面精確生長了4層厚的拓撲絕緣體Bi₂Te₃薄膜，并確認了該體系表面存在均勻的拓撲表面態和超導能隙（圖1 A-C）。在不同大小和方向的面內磁場作用下，在掃描隧道譜中觀測到在超導能隙內產生豐富的準粒子激發（圖1 D和E），預示著超導體中分段費米面逐漸產生。利用準粒子干涉技術，在實空間探測到費米面內散射產生的駐波，進一步通過傅里葉變換，證實了分段費米面的產生。該費米面的形狀和取向可通過外加磁場的強度和方向調控（圖1 F和G）。

該工作創新性地利用拓撲絕緣體/超導體異質結的特殊性解決了實驗中的困難，首次在實驗上觀察到了50多年前理論預言的分段費米面，并發現可以用磁場方向和大小來調節這個費米面的形狀和大小，還能調控拓撲性，構建新的拓撲超導，開辟了調控物態的新方法。

該工作發表在Science, 374 (2021) 1381。