超導態(tài)的最本質(zhì)特征是存在電子之間的兩兩配對，其配對的特性——配對對稱性是理解超導微觀機理的重要窗口。根據(jù)對稱性的不同，超導態(tài)分為s波、p波、d波等。傳統(tǒng)理論中，p波配對的超導態(tài)由于其非平庸的拓撲成為熟知的拓撲超導，但如果一個超導體內(nèi)部電子配對是各向同性的s波，傳統(tǒng)理論認為超導態(tài)不會具有非平庸的拓撲性質(zhì)。

　　2008年鐵基高溫超導體發(fā)現(xiàn)以來，其電子配對特征存在爭議。雖有較強實驗證據(jù)支持配對是各向同性的s波，但由于鐵基高溫超導體中存在較強的電子關聯(lián)，理論預言可以存在不同類型的s波，他們的超導序參量在動量空間的符號分布可以不同。以單層FeSe/STiO₃為例，盡管該體系在鐵基超導體中有最簡單的晶格和電子結構，根據(jù)其費米面上超導序參量的符號，研究認為其配對對稱性存在三種可能性（圖1）：無節(jié)點的d波超導態(tài)、有符號反轉的s波超導態(tài)，以及無符號反轉的s^*_±波超導態(tài)。對于d波態(tài)和s波態(tài)，由于其超導序參量在對稱性操作下具有不同的變換性質(zhì)，可以通過類似于銅基超導體中的約瑟夫森結實驗來區(qū)分；而s^*_±波態(tài)和s波態(tài)具有完全相同的對稱性，這對實驗上如何區(qū)分這兩種超導態(tài)提出了挑戰(zhàn)。

　　近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心凝聚態(tài)理論與材料計算實驗室研究員胡江平和方辰，與中國科學院大學卡弗里理論科學研究所教授張富春、博士后秦盛山，提出了利用拓撲性質(zhì)來甄別鐵基超導體的不同s波配對對稱性。

　　2014年，胡江平研究組在理論上預言鐵基超導體存在非平庸的拓撲能帶，近年來該預言已被大量實驗證實，但在過去的這些研究中，鐵基超導體的拓撲性質(zhì)局限于其非平庸拓撲能帶引發(fā)的表面態(tài)，無法和鐵基超導體內(nèi)稟的配對性質(zhì)關聯(lián)。此外，2012年，胡江平研究組提出，由于鐵基超導體的非點式（nonsymmorphic）晶格結構可引發(fā)非傳統(tǒng)的超導配對對稱性。

　　本工作進一步發(fā)現(xiàn)，由于非點式晶格結構，布里淵區(qū)的邊界上存在特殊的能帶簡并，導致鐵基超導體不同的s波超導配對對稱性具有完全不同的拓撲性質(zhì)。圖1中的s波態(tài)是拓撲平庸的，而s^*_±波態(tài)是由晶格對稱性保護的二階拓撲超導態(tài)。這是在實際材料體系中首次提出的內(nèi)稟（intrinsic）高階拓撲超導態(tài)。研究預言，如果單層FeSe/STiO₃是s^*_±波態(tài)，那么在其（10）邊界（邊界由最近鄰的Fe-Se-Fe構成）上存在兩個對稱性保護的Dirac錐，且在其由（11）和（11）邊界構成的角（由最近鄰Fe-Fe構成的直角）上存在一對Majorana零能模，如圖2所示。以上結論同樣適用于其他鐵基超導體。Dirac錐型的邊界態(tài)和位于角上的Majorana零能?？梢酝ㄟ^STM等方法直接觀測。

　　該研究提供了一種確鑿的實驗可觀測量來區(qū)分鐵基超導體配對對稱性，為今后尋找中心反演對稱的（inversion symmetric）拓撲超導體奠定了理論基礎：如果拓撲超導體的配對對稱性是s波，那么其晶格結構必須是非點式的，鐵基超導體正好是這樣一個例子。相關研究成果發(fā)表在Physical Review X上。研究工作得到科技部、國家自然科學基金及中科院戰(zhàn)略性先導科技專項的支持。

　　論文鏈接 

　　圖1.在考慮自旋軌道耦合的情況下，單層FeSe/STiO₃的費米面及其可能的超導配對對稱性。（a）對應d波對稱性（該態(tài)只有在超導序參量遠大于體系自旋軌道耦合強度時，其超導能隙才是無節(jié)點的），（b）對應s^*_±波對稱性，（c）為普通的s波對稱性。圖中藍色和紅色表示費米面上超導序參量的符號不同。

　　圖2.（a）為單層FeSe的晶格結構示意圖，（b）為考慮自旋軌道耦合時單層FeSe的電子結構。當單層FeSe配對對稱性為s^*_±波時，在由最近鄰Fe-Se-Fe構成的邊界上存在兩個Dirac錐，如（c）所示；在由最近鄰Fe-Fe形成的直角處存在一對Majorana零能模，如（d）所示。