摘要

在各种物质形态中发现新的量子现象、寻找新的量子态并对其研究，以推动人们对物质微观世界的深入认识并探索其在科技发展中的应用，是当今凝聚态物理研究的一个聚焦点所在。30 多年前量子霍尔效应与分数量子霍尔效应的发现，让人们意识到，对物质的量子态的描述并非一定要牵涉到某种对称性的破缺。虽然自旋有序态（宏观上表现为磁性）对应着旋转对称性的破缺，但量子霍尔效应和分数量子霍尔效应这两个宏观量子现象却没有相应的自发性对称性破缺，而是直接与波函数的拓扑性质相联系。最近短短的几年时间，一个类似于量子霍尔效应中的拓扑态的新的量子拓扑态‐拓扑绝缘体，开始受到了广泛的关注，在理论与实验两方面的研究都取得了飞速进展。
拓扑绝缘体是一种特殊的量子体系，它的体内元激发存在能隙，没有载流子运动，表现出绝缘体行为；但是在体系的边缘具有受拓扑保护的无能隙边缘激发，导致载流子得以在样品的边缘传导。这一点和量子霍尔效应体系很相似。不同的是，后者的产生需要外加磁场，破坏了时间反演对称性；而拓扑绝缘体中的表面电子结构的存在是靠本身的自旋轨道耦合效应，而且受到时间反演对称性的保护，所以它是一种拓扑序态。当向此拓扑序态引入某种对称性破缺时，就有可能激发出新奇量子现象，并导致与之相关的量子器件的问世。近年来的一大理论预言便是在拓扑绝缘体表面引入超导配对，可以获得80年前便已预期但至今尚未得观测到的Majorana费米子，而进一步通过和磁性薄膜的结合，更可以对Majorana费米子进行操纵，从而实现自容错的拓扑量子计算。
为从实验上验证并实现这一激动人心的理论预言，我们实验室最近成功地在超导材料--NbSe2单晶表面，以分子束外延法（MBE）生长出最具代表性的拓扑绝缘体薄膜—Bi2Se3。借助扫描隧道显微镜（STM）与角分辨光电子能谱（ARPES），我们从实验上证实了这一结构体系表面不但保留了其既有的表面拓扑电子态，还具有因近邻效应而产生的超导配对电子。Bi2Se3/ NbSe2体系所具有的超导态与拓扑序态之共存，为探寻Majorana费米子提供了一个极具潜力的实验平台，也为进一步掌握和调控拓扑绝缘体的拓扑电子态找到了重要的突破口。