“分段費米面”示意圖。上海交通大學(xué) 供圖

近日，一項超導(dǎo)態(tài)“分段費米面”相關(guān)的研究成果，入選2022年度“中國科學(xué)十大進展”。成果揭示的獨特現(xiàn)象，或可應(yīng)用于超導(dǎo)計算機的構(gòu)建，助力無能耗高效計算的實現(xiàn)。

4月12日，上海交通大學(xué)賈金鋒、鄭浩團隊 “實驗證實超導(dǎo)態(tài)‘分段費米面’”科研成果新聞發(fā)布會在徐匯校區(qū)召開，該成果于3月17日入選2022年度“中國科學(xué)十大進展”，是上海交通大學(xué)時隔十一年再次入選中國科學(xué)十大進展。

上海交大物理與天文學(xué)院教授、李政道研究所平臺建設(shè)學(xué)者鄭浩代表團隊對研究成果作了介紹。他詳細(xì)介紹了超導(dǎo)態(tài)“分段費米面”的物理背景、實驗過程、研究結(jié)果和學(xué)術(shù)價值。強調(diào)將拓?fù)浣^緣體表面態(tài)費米速度大的優(yōu)勢，跨領(lǐng)域的應(yīng)用到超導(dǎo)研究中來，是解決問題的關(guān)鍵。

什么是費米面？這要從導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別說起。固體物理學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，固體材料會有一種叫“能帶”的固有性質(zhì)，固體里的電子會按照能量從低到高的方式填充能帶。導(dǎo)體中的能帶沒有被填滿（半滿能帶），而絕緣體的能帶都是被填滿的（全滿能帶）。就像一瓶半滿的水能看到水面一樣，一個半滿的能帶也能觀測到“電子面”，在物理術(shù)語中，稱之為“費米面”。

具體來說，在固體能帶中，能量低于費米面的態(tài)都被電子填充，高于費米面的態(tài)都被空置。所以，一個固體材料有沒有費米面會決定它很多物理性質(zhì)，包括是否導(dǎo)電，是否透光等等。

1911年，超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了物理學(xué)家們前赴后繼的研究?！拔覀兊氖謾C、電腦用的時間長了會變熱，這是因為普通導(dǎo)體有電阻，所以在導(dǎo)電的同時會發(fā)熱。超導(dǎo)體的神奇之處在于它沒有電阻，導(dǎo)電的時候不發(fā)熱。我們現(xiàn)在用的高壓輸電線是普通導(dǎo)體，電從發(fā)電廠傳輸?shù)轿覀兗依锏倪^程中，很大一部分電能因為導(dǎo)線發(fā)熱被浪費掉了，如果換成超導(dǎo)輸電能夠節(jié)省大量的能源?！笨蒲袌F隊介紹。

大量研究表明，超導(dǎo)體雖然導(dǎo)電（而且是零電阻導(dǎo)電），但是卻沒有費米面。因為超導(dǎo)體中承擔(dān)導(dǎo)電任務(wù)的不是單個電子，而是兩個電子組成的庫伯對。1965年德國物理學(xué)家Peter Fulde理論預(yù)言，讓超導(dǎo)體中庫珀對動起來，如果速度足夠快，就有可能在原本沒有費米面的超導(dǎo)體中產(chǎn)生出一種特殊的“分段費米面”。然而，對多數(shù)單一超導(dǎo)材料中，庫珀對速度太大會直接破壞超導(dǎo)態(tài)。實現(xiàn)“分段費米面”在實驗上十分困難，雖然一直有人嘗試，但未能取得突破。

此番，上海交通大學(xué)賈金鋒、鄭浩團隊與麻省理工學(xué)院傅亮團隊合作，設(shè)計制備了拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體（Bi2Te3/NbSe2）異質(zhì)結(jié)體系，借助超導(dǎo)近鄰效應(yīng)在Bi2Te3中誘導(dǎo)出超導(dǎo)，得益于Bi2Te3拓?fù)浔砻鎽B(tài)的費米速度極高的獨特優(yōu)勢，只需要很小的庫伯對速度，就實現(xiàn)并觀察到了預(yù)言中的“分段費米面”。

研究表明，擁有“分段費米面”的超導(dǎo)體，可以實現(xiàn)正向零電阻導(dǎo)電，反向非零電阻導(dǎo)電的獨特現(xiàn)象（約瑟夫森二極管效應(yīng)），可以用來構(gòu)建超導(dǎo)計算機，實現(xiàn)無能耗的高效計算。另外，還可以為例如有限動量超導(dǎo)、庫伯對密度波等很多具有重要物理學(xué)理論研究價值的課題提供關(guān)鍵的研究載體。

中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授、李政道研究所拓?fù)淞孔佑嬎銓嶒炂脚_負(fù)責(zé)人賈金鋒表示，該項成果是上海交大物理與天文學(xué)院團隊多年工作的積累和延續(xù)，2012年團隊制備出了拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，證明了該體系為拓?fù)涑瑢?dǎo)，并在其中觀察到了人們長期追求的馬約拉納零能模。這次的成果是在該體系中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，是對該體系持續(xù)不斷研究的最佳回報。

鄭浩介紹，未來，他們將會以具有“分段費米面”的超導(dǎo)體為平臺，探索構(gòu)筑新型拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)和實現(xiàn)超導(dǎo)二極管效應(yīng)等重要物理效應(yīng)的可能性。