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分段費米面示意圖 什么是費米面

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分段費米面示意圖 什么是費米面

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“分段費米面”示意圖 。上海交通大學 供圖
近日，一項超導態“分段費米面”相關的研究成果，入選2022年度“中國科學十大進展” 。成果揭示的獨特現象，或可應用于超導計算機的構建，助力無能耗高效計算的實現 。
4月12日，上海交通大學賈金鋒、鄭浩團隊 “實驗證實超導態‘分段費米面’”科研成果新聞發布會在徐匯校區召開，該成果于3月17日入選2022年度“中國科學十大進展”，是上海交通大學時隔十一年再次入選中國科學十大進展 。
上海交大物理與天文學院教授、李政道研究所平臺建設學者鄭浩代表團隊對研究成果作了介紹 。他詳細介紹了超導態“分段費米面”的物理背景、實驗過程、研究結果和學術價值 。強調將拓撲絕緣體表面態費米速度大的優勢，跨領域的應用到超導研究中來，是解決問題的關鍵 。
什么是費米面？這要從導體和絕緣體的區別說起 。固體物理學的研究發現，固體材料會有一種叫“能帶”的固有性質，固體里的電子會按照能量從低到高的方式填充能帶 。導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都被電子填充，高于費米面的態都被空置 。所以，一個固體材料有沒有費米面會決定它很多物理性質，包括是否導電，是否透光等等 。
【分段費米面示意圖 什么是費米面】1911年，超導現象被發現，引發了物理學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，這是因為普通導體有電阻，所以在導電的同時會發熱 。超導體的神奇之處在于它沒有電阻，導電的時候不發熱 。我們現在用的高壓輸電線是普通導體，電從發電廠傳輸到我們家里的過程中，很大一部分電能因為導線發熱被浪費掉了，如果換成超導輸電能夠節省大量的能源 ?！笨蒲袌F隊介紹 。
大量研究表明，超導體雖然導電（而且是零電阻導電），但是卻沒有費米面 。因為超導體中承擔導電任務的不是單個電子，而是兩個電子組成的庫伯對 。1965年德國物理學家Peter Fulde理論預言，讓超導體中庫珀對動起來，如果速度足夠快，就有可能在原本沒有費米面的超導體中產生出一種特殊的“分段費米面” 。然而，對多數單一超導材料中，庫珀對速度太大會直接破壞超導態 。實現“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，上海交通大學賈金鋒、鄭浩團隊與麻省理工學院傅亮團隊合作，設計制備了拓撲絕緣體/超導體（Bi2Te3/NbSe2）異質結體系，借助超導近鄰效應在Bi2Te3中誘導出超導，得益于Bi2Te3拓撲表面態的費米速度極高的獨特優勢，只需要很小的庫伯對速度，就實現并觀察到了預言中的“分段費米面” 。
研究表明，擁有“分段費米面”的超導體，可以實現正向零電阻導電，反向非零電阻導電的獨特現象（約瑟夫森二極管效應），可以用來構建超導計算機，實現無能耗的高效計算 。另外，還可以為例如有限動量超導、庫伯對密度波等很多具有重要物理學理論研究價值的課題提供關鍵的研究載體 。
中國科學院院士、上海交通大學物理與天文學院教授、李政道研究所拓撲量子計算實驗平臺負責人賈金鋒表示，該項成果是上海交大物理與天文學院團隊多年工作的積累和延續，2012年團隊制備出了拓撲絕緣體/超導體異質結，證明了該體系為拓撲超導，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現的新現象，是對該體系持續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”的超導體為平臺，探索構筑新型拓撲超導態和實現超導二極管效應等重要物理效應的可能性 。