LaAlO3/KTaO3界面p波超导性的重要证据 | NSR

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦教授团队，与西湖大学李牮教授团队合作，在LaAlO3/KTaO3超导界面研究中取得了重要进展。研究团队通过构建Ti/LaAlO3/KTaO3平面结并系统研究其隧穿谱行为，不仅揭示了LaAlO3/KTaO3界面可能具有p波超导性，还提出了一种识别超导配对态的普适性方法。相关研究成果以题为“Contact-induced Andreev bound states in normal-metal/superconductor planar junctions”的论文，发表在National Science Review 2025年第6期。

非常规超导是凝聚态物理研究的核心领域，其独特的物理现象源于强电子关联、自旋轨道耦合与能带拓扑等因素的相互作用。其中，二维p波超导因其与物质拓扑相的非平庸关联，以及可能承载的非阿贝尔准粒子激发特性而备受关注。隧穿谱作为探测超导配对机制的有效手段，通过表征安德烈夫束缚态，为d波或p波超导提供了诸多候选体系。然而，对于面外隧穿至非常规超导体的平面结中安德烈夫束缚态的研究仍较为稀缺。

在此次研究中，团队构建了由金属钛（Ti）与LaAlO3/KTaO3超导界面组成的平面结，并对其隧穿谱进行了系统性研究。通过精确调控LaAlO3层的厚度以控制隧穿势垒强度，研究发现隧穿谱展现出截然不同的特征：当隧穿势垒较弱时，在超导能隙内出现明显的双峰结构；而当势垒较强时，能隙内的双峰特征消失，取而代之的是软化的完全超导能隙。进一步的理论计算表明，在弱势垒条件下，金属接触与超导体之间形成强耦合，不同超导配对态的隧穿谱特性因此表现出显著差异。具体而言，在s波超导体中，这种强耦合不能诱导出安德烈夫束缚态，因而能隙内无显著特征；而在p波和d波超导体中，尽管强耦合条件下均能在能隙内诱导出安德烈夫束缚态，但其表现形式却有所不同：p波超导体呈现清晰的双峰结构，而d波超导体仅显示单峰信号。结合实验和理论分析，这些研究结果不仅暗示LaAlO3/KTaO3界面可能具备p波超导性，还为识别超导配对态提供了一种普适性方法。

图: Ti/LaAlO3/KTaO3平面结的隧穿谱。(a) Ti/LaAlO3/KTaO3器件示意图，其中LaAlO3层作为隧穿势垒。(b)T= 0.5 K时，弱隧穿势垒器件在不同栅压下的隧穿谱。插图显示左侧峰的放大细节。(c)T= 0.5 K 时，强隧穿势垒器件的隧穿谱（黑色圆圈）。蓝色和红色线条分别是基于完全能隙和d波能隙函数的Dynes模型拟合结果。(d-f) 分别展示了金属/超导体强耦合状态下的s波、手性p波和dxy波超导体的计算隧穿谱（蓝色曲线，归一化至二维电子系统的正常态值）。黑色虚线表示各原始超导态的归一化态密度。

中国科学技术大学物理学院博士生王碑林和郭林海博士为该研究的共同第一作者，中国科学技术大学曾长淦教授和西湖大学李牮教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院及安徽省的资助。

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf105