铁基超导Fe(Te,Se)中晶格畴壁缺陷束缚态研究取得进展

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近日，中国科学院合肥合肥物质科学研究院强磁场科学中心关于铁基超导Fe(Te,Se)中晶格畴壁缺陷束缚态的研究取得进展，研究成果发表在Physical Review Letters上。

自2014年理论上指出由于具有多轨道特征，铁基超导的电子结构在某些条件下具有类似于拓扑绝缘体中能带拓扑特性以来，关于铁基超导拓扑物态的后续理论与实验研究进展迅速。近年来，实验通过测量具有拓扑电子结构的铁基超导体中拓扑缺陷（单间隙铁杂质、线缺陷和磁通涡旋等）对超导态响应，发现这些拓扑缺陷所束缚的准粒子特性表现出类似马约拉纳准粒子的特征。结合铁基超导中拓扑物态理论，一种理解是这些铁基超导体系中存在二维表面或一维边界拓扑超导态，拓扑缺陷可以束缚马约拉纳准粒子。然而，不同实验组的测量表明，杂质、线缺陷和磁通涡旋对超导态的响应表现出多样性和复杂性，尚未达到对实验结果理解的共识性。

该研究针对近来实验上报道的Fe(Te,Se)中晶格位错导致的一维畴壁（一种线缺陷）的超导准粒子束缚态开展理论研究。研究发现，晶格畴壁的构型及其铁磁基态对形成具有线性色散的一维马约拉纳准粒子具有关键作用，可以解释实验上观测到的晶格畴壁STM成像特征以及近常数态密度的STS谱。以此为基础，研究提出通过操控晶格畴壁的铁磁性来实现马约拉纳零模的产生与融合，并进一步提出理论方案来实现马约拉纳零模的编织操作以期对其非阿贝尔统计性质的证明提供新思路。

具体而言，该工作通过第一性原理建模并计算了Fe(Te,Se)中多种可能的晶格位错导致的晶格畴壁构型，通过理论模拟STM图像，发现只有一种晶格畴壁构型与实验结果一致（图1(a)-(d)），其重要特征包含两点：一是其畴壁取向与晶格位错方向成45°角（图1(a)-(d)），二是由于畴壁处下层的Fe-Te/Se键断裂导致畴壁会形成隆起的结构（图1(c)-(d)）。进一步计算表明，由于晶格畴壁处Fe的3d电子局域性增强，其会形成沿着畴壁走向的面内铁磁性（图1(e)）。基于此，研究提出一个界面拓扑超导-铁磁-界面拓扑超导的有效模型（图2 (a)），其物理图像是Cooper对电子通过铁磁层被散射后，铁磁层会对超导序参量贡献一个额外的相位，相位的大小与铁磁层的宽度和有效交换场强度有关，可以类比FFLO的超导态（图2 (b)）。通过具体求解该有效模型发现，当相位严格等于pi时可以得到线性色散的一维马约拉纳准粒子，考虑可能的相位偏差情况，可以解释实验上隧道谱的细微变化（图2 (c)）。此外，研究还预测了界面相位电池效应（图2 (d)），在此基础上，提出了通过操控铁磁层磁矩的大小来实现马约拉纳零模的产生与融合（图3 (a)-(c)），理论上提出一种方案来构筑超导铁磁环路结构（图3 (d)-(e)），通过调节超导的相位差来实现四个马约拉纳零摸的编织操作（图3 (f)-(g)），并通过利用AB效应的干涉电路来读出相应的编织结果（图3 (h)-(i)），以期为证明马约拉纳零模的非阿贝尔统计性质提供新思路。

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中科院战略性先导科技专项等的支持。

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