58年前的“分段费米面”预言被验证，“超导计算机”有了新可能！科学家团队来自这所

　　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。也正因此，无论是多先进的超级计算机，都离不开“降温”系统。而超导体的神奇之处在于它没有电阻，导电的时候不发热。

　　随着上海交大成功实现并观察到“分段费米面”，提出了超导体物态调控的新方法，“超导二极管”有了新可能，人类实现“超导计算机”又有了新的方案。

　　

　　分段费米面示意图

　　第一教育从上海交大获悉，上海交大物理与天文学院贾金锋、郑浩团队与麻省理工学院傅亮团队合作，最终实现并观察到了“分段费米面”，成功验证了58年前的理论预言。该研究开辟了调控物态、构筑新型拓扑超导的新方法。

　　这一成果入选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。

　　

　　团队赴京领奖

　　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”，物理术语叫“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、透光等等。

　　大量研究表明，超导体虽然导电，并且是零电阻导电，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。超导现象自从1911年被发现，到现在经过好几代物理学家前赴后继的研究，产生了大量的重要学术成果，光诺贝尔奖就得过5次之多。但是，经过百余年的研究，超导物理中仍然有些尚未解决的课题，都是难啃的硬骨头。

　　

　　早在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。

　　如何人为创造出合适的条件呢？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，创造性地利用拓扑绝缘体/超导体异质结的特殊性解决了实验中的困难。

　　团队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”。

　　他们使用配备了稀释制冷机和三维矢量强磁场的扫描隧道显微镜来开展研究，随着磁场增大，库珀对动量也在提高，超导能隙内准粒子越来越多，预示着超导体中分段费米面逐渐产生。传统的物态调控都是调控费米面附近态密度，实现费米面的人工调控将会为材料物性的调控带来革命性变化。

　　据介绍，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（约瑟夫森二级管效应），可以用来构建超导计算机，实现无损耗的高效计算。

　　此外，这一验证对于基础物理学理论研究也有着重要的意义，为如有限动量超导、库伯对密度波等极具研究价值的课题提供了关键的研究载体。

　　物理学研究每前进一步都需要科学家们的大胆假设和反复验证。十年磨一剑，中科院院士、上海交大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带领团队十余年潜心科研、攻坚克难，不断在拓扑量子领域取得新的突破。

　　贾金锋介绍，该项成果是上海交大物理与天文学院团队多年工作积累和延续，2012年团队制备出了拓扑绝缘体/超导体的异质结，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事关拓扑量子计算的“马约拉纳零能模”。“这次成果也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。”贾金锋说。