上海交通大學實體與天文學院鄭浩、賈金鋒上司的研究團隊利用低溫強磁場掃描隧道顯微鏡在Bi2Te3/NbSe2體系中成功産生并探測到由庫珀對動量導緻的分段費米面，論文被《科學》（Science）接收，并被選為First Release于2021年10月29日淩晨線上發表。
該工作創新性地利用拓撲絕緣體/超導體異質結的特殊性解決了實驗中的困難，首次在實驗上觀察到了50多年前理論預言的分段費米面，并發現可以用磁場方向和大小來調節這個費米面的形狀和大小，還能調控拓撲性，建構新的拓撲超導，開辟了調控物态的新方法。
固體實體的基本知識告訴我們材料費米面附近的态密度決定了它們是否導電、是否透光等各種物性。傳統的物态調控都是調控費米面附近态密度，如果能夠實作費米面的人工調控，就會給材料物性的調控帶來革命性的變化。
超導體具有零電阻導電和完全抗磁性等奇特性質，是實體學中一個長盛不衰的研究課題；由于費米能級處超導能隙的存在，超導體均無費米面。早在1965年，Fulde從理論上預言超導體中如果庫珀對的動量足夠大就可以在超導能隙中産生準粒子，進而導緻出一種特殊的“分段費米面” [Phys. Rev. 137, A783-A787 (1965)]。但由于普通超導體庫珀對動量足夠大時，産生準粒子的同時，庫珀對也會破裂而失去超導，是以要觀察到這個“分段費米面”實驗上非常困難。這個預言雖然過去了50多年，一直沒有被實驗證明。
研究團隊使用分子束外延技術在超導體NbSe2表面精确的生長了4層厚的拓撲絕緣體Bi2Te3薄膜。在這個體系中，由于Bi2Te3表面态的費米速度很大，是以，當NbSe2超導體中庫珀對動量還很小時，Bi2Te3表面态中庫珀對動量已經很大（見圖1A）。這樣，就可以用一個很小的水準磁場在NbSe2表面上産生一個較小的超導電流，但這時Bi2Te3表面态中庫珀對動量已經足夠産生準粒子，并導緻分段費米面的出現，巧妙地解決了實驗上的困難。他們使用配備了稀釋制冷機和三維矢量強磁場的掃描隧道顯微鏡來開展研究，如圖1所示，随着磁場增大，庫伯對動量也在提高，超導能隙内準粒子越來越多（能隙底部越來越不探零，見圖1D和圖1E），預示着超導體中分段費米面逐漸産生。
圖1. A. Bi2Te3/NbSe2超導異質結示意圖。B. 生長在NbSe2襯底上的高品質Bi2Te3薄膜形貌圖。C. Bi2Te3薄膜的原子分辨圖。D, E. 在不同大小和方向的面内磁場作用下，隧道譜中來源于準粒子的信号逐漸增加。
更進一步，團隊成員利用準粒子幹涉（QPI）技術，在實空間探測到了駐波（見圖2A-C，G-I），通過傅裡葉變換證明了在零能上費米面的産生。值得注意的是，該費米面是由非超導Bi2Te3費米面的一部分組成，而且其形狀和取向可以由外加磁場的強度和方向決定（見圖2D-F，J-L），完全符合理論預言的超導體分段費米面的特征。
圖2， A到C和G到I， 分别沿Γ-K和Γ-M方向施加40mT的磁場後，實空間産生的駐波圖案。D到F和J到L，對A到C和G到I進行相應的傅裡葉變換，産生與磁場方向依賴的準粒子幹涉信号。
作者：葉丹 高璐
編輯：儲舒婷