科學研究 - 日本利用拓撲物質實現超導二極體

日本理化學研究所（簡稱「理研」）創發物性科學研究中心強相關物性研究小組的客座研究員安田憲司（麻省理工學院博士研究員）和主任十倉好紀（東京大學研究生院工學系研究科教授）、強相關界面研究小組的主任川崎雅司（東京大學研究生院工學系研究科教授）以及東北大學金屬材料研究所的塚崎敦教授等人組成的聯合研究小組，在拓撲絕緣體的超導界面觀測到了超導電流的整流效應。

為調查拓撲絕緣體的電子狀態，聯合研究小組著眼於拓撲絕緣體表面態和超導共存的FeTe（Fe：鐵、Te：碲）與Bi₂Te₃（Bi：鉍、Te：碲）的積層界面。研究小組平行於超導界面（面内）施加磁場並測量電阻發現，僅在部分表達超導的狀態下，會出現電阻隨著電流方向而變化的整流效應（二極體效應）。通過進行詳細測量和理論計算確認，自旋動量鎖定的表面態電子實現了特殊的超導狀態。

相關研究成果已於6月21日發布在英國線上科學雜誌《自然通訊》（Nature Communications）上。

為研究拓撲絕緣體與超導體的相輔作用，聯合研究小組著眼於FeTe（Fe：鐵、Te：碲）與Bi₂Te₃（Bi：鉍、Te：碲）的積層界面。研究發現，這兩種物質在單體狀態下均不具備超導性，但二者的積層界面會表達超導性。另外，這個界面存在拓撲絕緣體表面態，因此很適合用來研究表面態與超導的相輔作用。研究小組利用分子束磊晶法制作了FeTe與Bi₂Te₃的積層結構，在極低溫度下測量樣品確認，溫度約為7K（約-266℃）時，電阻為0，界面出現超導（圖1a）。

圖1：FeTe與Bi₂Te₃的積層結構的電阻與非互易電阻

為進一步瞭解超導狀態，聯合研究小組在平行於界面（面内）施加了磁場的狀態下，通過圖2紅色箭頭電流方向下的電阻與藍色箭頭電流方向下的電阻差值對應的非互易電阻測量了整流效應（二極體效應）。在常導狀態下，非互易電阻為0，而在部分轉變為超導的溫度下，會產生有限的非互易電阻，出現整流效應（圖1b）。通過測量確認了一項重要性質，即隨著磁場方向逆轉，非互易電阻的符號也會逆轉。這意味著，可以通過外部施加的磁場的方向，控制超導電流容易流動的方向。