Npj Comput. Mater.: 寻找拓扑超导新材料：一条新途径？

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2023-11-15 03:11

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拓扑超导支持非阿贝尔统计的马约拉纳费米子，可以应用于非阿贝尔量子门操作中，速度是现存量子计算的10³倍，因而在基础物理研究和拓扑量子计算中，拓扑超导都很重要。目前拓扑超导主要集中在两种实验方案。一种是构造传统超导和一维纳米线或拓扑绝缘体的异质结。

Fig. 1 The strategy to design idea superconducting topological metal (SCTM) by intercalating the superconductor (SC) units into the topological insulator (TI).

但这种方法对样品合成和界面有很高的要求。另一种方案是在同一种材料中同时实现费米能级附近的拓扑性质和超导性质，即超导拓扑金属材料。在超导拓扑金属材料中，拓扑表面态被材料本身的超导自近邻效应打开带隙。这可以避免复杂的界面工程。这方法成功预测了超导拓扑金属FeTe_0.55Se_0.45及相似的铁基超导材料。

Fig. 2 The generic flow chart to characterize the TSC properties from ab initio calculations.

然而，现有大多数超导拓扑金属的能带结构非常复杂，拓扑表面态埋在体能带中难以形成实现拓扑超导需要的配对。另一方面，由于缺少从第一性原理出发计算拓扑超导性质的普适程序，也严重限制了从现有超导拓扑金属中挑选和调控实现拓扑超导的可能。

华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心的徐刚教授团队提出了一种在拓扑绝缘体中插层超导单元来设计拓扑超导金属的新范式，开发了一套基于第一性原理计算表征拓扑超导不变量的通用程序，提出了实验上可合成的理想候选材料PdBi₂Te₅和PdBi₂Te₄。作者们通过调研发现Bi₂Te₃拓扑绝缘体和PdTe₂、PdTe超导体具有相同的晶格构型和相近的面内晶格常数，因而可以通过插层得到拓扑超导金属PdBi₂Te₅和PdBi₂Te₄。他们通过形成能和声子计算确认了材料的热力学稳定性和动力学稳定性，在实验上易于合成。

Fig. 3 The crystal and bans strucutre of PdBi2Te5.

进一步的电子结构计算表明其能带结构很好地继承了Bi₂Te₃的能带反转和拓扑能隙，并在费米能级处呈现出拓扑表面态。电声耦合的计算则发现候选材料继承了PdTe₂、PdTe的超导性，超导转变温度分别为0.57K和3.11K。团队进一步利用新开发的计算程序，构造了PdBi₂Te₅和PdBi₂Te₄的二维薄膜BdG哈密顿量，计算了在表面引入塞曼劈裂下的超导能谱和拓扑不变量，确认了其手性拓扑超导态。该研究工作为设计和调控拓扑超导材料提供了新的思路和工具，也为制备拓扑超导量子器件提供了理论指导。该文近期发表于npj Computational Materials 9: 188 (2023)。