上海交大科研成果入选“中国科学十大进展”

　　上海交大科研成果入选“中国科学十大进展”

　　为构建超导二极管提供可能的理论路径

　　文汇报讯（记者姜澎）上海交通大学贾金锋、郑浩团队的科研成果“实验证实超导态‘分段费米面’”近日入选2022年度“中国科学十大进展”，这也是该校时隔11年再次入选“中国科学十大进展”。该成果为超导计算机的核心部件之一——超导二极管提供了一种可能的理论路径。上海交大物理与天文学院教授、中科院院士贾金锋介绍，早在2012年，团队就制备出了拓扑绝缘体/超导体异质结，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的马约拉纳零能模。“这次取得的成果，正是基于在这一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。”

　　一个固体是否有费米面，决定了材料的很多性质，比如是否导电、是否透光等。一般来说，有费米面的材料是不透光的，因为电子吸收了光线，而没有费米面的材料则是透光的。对费米面的人工调控，是材料物性调控的最重要途径。

　　所谓费米面，就是材料半满的能带所观测的“电子面”。上海交大物理与天文学院教授、李政道研究所平台建设学者郑浩解释，所有固体材料中都有“能带”，电子会按照能量从低到高的方式填充能带。绝缘的固体材料中能带被电子填满，就像在一个挤满人的房间里、人在其中寸步难行一样；而导电的固体材料中，能带是半满的，既然是半满，就有“面”的概念，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”。它的物理术语就叫“费米面”。

　　大量研究表明，超导体虽然导电，而且是零电阻导电，但却没有费米面。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珀对。1965年德国物理学家PeterFulde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”。但是其后几十年，科学家都无法验证这一理论。

　　贾金锋、郑浩课题组分析前人的结果后发现，多数单一超导材料，库珀对速度太大会直接破坏超导态。他们与麻省理工学院傅亮团队合作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，只需要很小的库珀对速度，就实现并观察到了预言中的“分段费米面”。

　　研究表明，拥有“分段费米面”的超导体可以实现单向零电阻导电，即正向零电阻导电、反向非零电阻导电的独特现象，也就是约瑟夫森二极管效应。而单向零电阻导电的重要性是：由于不会产生热量，用来构建超导计算机，可以实现无能耗的高效计算。

　　在贾金锋、郑浩课题组成果发表后，目前已有团队在他们的实验基础上尝试构建超导二极管。