近日，南京大学张鹏课题组、东南大学孙悦课题组、中科院理论所吴贤新课题组合作，利用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）技术，首次在电子掺杂的铁基超导体中直接观测到了两种不同的拓扑态，并证实了强关联效应在其中发挥的关键作用。这一发现为探索多重拓扑超导态与马约拉纳费米子（Majorana modes）之间的相互作用构筑了干净、理想的全新平台。 相关成果以“Evolution of the intertwining correlated topological phases in iron-based superconductor Fe(Te,Se)”为题发表在学术期刊《JACS》上。
拓扑超导体因可能承载马约拉纳零能模，被认为是发展容错量子计算的重要材料平台。相比通过外延生长将拓扑绝缘体与普通超导体组合成异质结，若材料本身同时具备拓扑与超导特性，将有望提供更干净、可调控性更强的研究体系。以Fe(Te,Se)为代表的铁基超导体正是这样一种天然平台：其表面拓扑态和马约拉纳零能模已被前期研究发现，理论上还可能存在拓扑狄拉克半金属体态。如何在实验上获得清晰的多重拓扑态，并研究它们在超导中的演化，是该领域的重要问题。
针对这一难题，团队利用钴Co元素成功取代铁Fe位点，实现了高晶格质量的电子掺杂Fe(1-x)CoxTe0.6Se0.4单晶生长，有效抑制了层间过量Fe的干扰，如图1所示。基于激光和同步辐射的高分辨率角分辨光电子能谱技术，系统研究了该体系电子能带随Co掺杂浓度的演化。
图1. Co掺杂FeTe0.6Se0.4的结构与超导性质表征。XRD和成分分析结果表明，Co成功掺入FeTe0.6Se0.4晶体，并引起晶格参数的系统变化；磁化率测量显示，样品保持超导性，但超导转变温度随Co掺杂增加逐渐降低。
图2展示了钴掺杂如何逐步调控Fe(Te,Se)的拓扑电子结构。随着钴含量增加，材料中的能带整体向低能移动，使原本位于费米能级附近的拓扑绝缘体表面态，以及更高能量处的拓扑Dirac半金属态依次被调到费米能级。特别是在适当掺杂下，两类拓扑态可以同时参与超导，为研究多种马约拉纳态及其相互作用提供了新的材料平台。
图2. Co掺杂调控FeTe0.6Se0.4中的拓扑能带演化。ARPES测量显示，随着Co掺杂增加，材料中的拓扑绝缘体表面态和拓扑狄拉克半金属态逐渐向费米能级移动。在合适掺杂范围内，两类拓扑狄拉克能带可同时接近或穿过费米能级，为实现和调控多种拓扑超导态提供了关键基础。
理论分析表明电子掺杂Fe(Te,Se)中可能出现的不同的马约拉纳态，如图3所示。随着费米能级调节到不同位置，材料中可形成不同的拓扑超导相：一种情况下，涡旋中可能同时存在局域的马约拉纳零能模和沿涡旋线传播的一维马约拉纳模；另一种情况下，马约拉纳态可分别出现在涡旋和晶体棱边处。它们之间还可能发生相互作用，为研究多种马约拉纳态的调控提供了新思路。
图3. 电子掺杂Fe(Te,Se)中可能出现的多种马约拉纳模式。理论计算表明，在不同电子掺杂水平下，Fe(Te,Se)可形成不同的拓扑超导相，并在涡旋、涡旋线或晶体铰链处产生马约拉纳模式。这些不同位置的马约拉纳态还可能相互耦合，为研究多重马约拉纳模式及其调控提供了新的思路。
这一成果改变了以往单一材料只能研究单一种类马约拉纳模的局限，提供了一个可以通过改变化学势（掺杂浓度）来连续切换、调控不同量子拓扑相的潜在平台。这不仅深化了科学家对强关联拓扑超导体系的认识，也为未来编织马约拉纳零能模、构筑拓扑量子计算芯片提供了的材料与物理基础。
南京大学张鹏教授、中国科学院理论物理研究所吴贤新副研究员为论文的通讯作者。该研究由南京大学张鹏课题组、东南大学孙悦课题组、中科院理论所吴贤新课题组合作完成，同时得到了东京大学、上海同步辐射光源（SSRF）、青山学院大学及上海交通大学等多家国内外顶尖科研机构合作者的支持。 该项研究得到了国家重点研发计划（No. 2024YFA1408400, 2024YFA1409100）、国家自然科学基金（No. 12274209, 12374136）、江苏省物理科学研究中心以及中央高校基本科研业务费等项目的资助与支持，在此一并致谢。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c19995